Biokémia II

Szarka András

Biokémia II. Biokémiai szabályozás

A Biokémia II. – Biokémiai szabályozás című tankönyv másodéves biomérnök hallgatók

számára készült, akik a Biokémia I. tantárgy során már elsajátították a biokémiai,

molekuláris biológiai alapismereteket. Ezeket alapul véve, ezekre építkezik a tankönyv,

amely kiemelten a biokémiai szabályozásokkal foglalkozik. Az építkezés szó igen találó,

hiszen a szabályozástechnika részelemeinek ismertetését követően egyszerűbb, majd

egyre összetettebb szabályozási problémák megismerése felé haladunk. Így

foglalkozunk az enzimaktivitás különböző szabályozási lehetőségével, mint az

allosztérikus, a foszforilációval és a limitált proteolízissel történő szabályozás, majd

terítékre kerül a fehérjék élettartamának szabályozása. A következő nagyobb blokk a

génkifejeződés témakörét tárgyalja prokarióta, majd eukarióta sejtek esetében. Egyetlen

egy sejt-, szervezetszintű szabályozással foglalkozó tankönyv sem mehet el szó nélkül a

jelátviteli útvonalak mellett, így a harmadik jelentősebb terület a mi esetünkben is ezzel

a területtel foglalkozik. Az első három blokk funkcionális egységet a negyedik blokkban

nyer, amelyben a szabályozási részelemek működését három kiemelt szabályozási

probléma, az éhezés – jól tápláltság, vércukorszint szabályozás, a programozott sejthalál,

illetve a sérült fehérjeválasz révén mutatjuk be.

Kulcsszavak: biokémia, sejtbiológia, szabályozás, anyagcsereutak, enzimek, molekuláris

biológia, centrális dogma, transzkripció, jelátvitel, sejthalál, vércukorszint szabályozás

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Semmelweis Egyetem

Typotex Kiadó

2014

COPYRIGHT: 2014-2019, Dr. Szarka András, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem,

Semmelweis Egyetem

Creative Commons NonCommercial-NoDerivs 3.0 (CC BY-NC-ND 3.0)

A szerző nevének feltüntetése mellett nem kereskedelmi céllal szabadon másolható, terjeszthető,

megjelentethető és előadható, de nem módosítható.

Lektorálta: Barna János Ph.D.

ISBN 978-963-279-170-8

Készült a Typotex Kiadó gondozásában

Felelős vezető: Votisky Zsuzsa

Készült a TÁMOP-4.1.2/A/1-11/1-2011-0079 számú, „Konzorcium a biotechnológia és bioinformatika

aktív tanulásáért” című projekt keretében.

http://www.typotex.hu/

© Szarka András www.interkonyv.hu

Tartalomjegyzék

Előszó ....................................................................................................................................................................... 5

1. Bevezetés ........................................................................................................................................................... 6

2. Biokatalizátorok – enzimek ....................................................................................................................... 9

2.1. Néhány szóban az enzimkinetikáról ........................................................................................ 11

2.2. Az enzimes katalízis háttere ........................................................................................................ 13

3. Enzimszabályozás ....................................................................................................................................... 17

3.1. Allosztérikus enzimek .................................................................................................................... 21

3.1.1. Kooperativitás ........................................................................................................................ 23

3.1.2. A hemoglobin szerkezete és oxigénkötése ................................................................. 25

3.2. Fehérjék térszerkezetének, aktivitásának befolyásolása foszforiláció/defoszforiláció által .............................................................................................. 31

3.3. Limitált proteolízis .......................................................................................................................... 36

3.3.1. Inaktív zimogének és aktiválódásuk ............................................................................. 36

3.3.1.1. Pepszinogén .................................................................................................................. 36

3.3.1.2. Enterális proteázok zimogénjei ........................................................................... 37

3.3.1.3. Proteázinhibitorok .................................................................................................... 38

4. Fehérjefolding, fehérjelebontás – ubikvitin-proteaszóma rendszer .................................... 39

4.1. Poszttranszlációs módosulások ................................................................................................. 39

4.1.1. Fehérjefolding ......................................................................................................................... 39

4.1.1.1. Hősokk-fehérjék – molekuláris chaperonok .................................................. 40

4.2. Sérült fehérjék proteolízise ......................................................................................................... 42

4.2.1. Proteaszóma ............................................................................................................................ 42

4.2.1.1. A proteaszóma felépítése ........................................................................................ 42

4.2.2. A „halál csókja” – Ubikvitináció ....................................................................................... 43

4.2.3. Számos fehérje irányított lebontás révén szabályozott ....................................... 45

5. A génexpresszió szabályozása ............................................................................................................... 47

5.1. Génexpresszió, a gén kifejeződése ............................................................................................ 47

5.1.1. Sejtdifferenciáció ................................................................................................................... 48

5.1.1.1. Azonosságok és különbségek a sejtek között................................................. 48

5.1.2. A génexpresszió szabályozásának szintjei ................................................................. 49

5.1.3. A génszabályozó fehérjék DNS-kötő részei ................................................................ 50

5.1.4. DNS-felismerő fehérjeszerkezeti egységek ................................................................ 52

5.1.4.1. Hélix-turn-hélix részletek ....................................................................................... 53

5.1.4.2. DNS-kötő cink-ujj részletek ................................................................................... 55

5.1.4.3. β-redő .............................................................................................................................. 56

5.1.4.4. Leucin-cipzár ................................................................................................................ 56

5.1.4.5. Hélix-loop-hélix részlet ............................................................................................ 57

5.1.5. DNS-kötő fehérjék detektálása ........................................................................................ 59

5.2. A genetikai kapcsolók munka közben ..................................................................................... 60

5.2.1. A triptofán-represszor, mint egyszerű génkapcsoló .............................................. 60

www.interkonyv.hu © Szarka András

5.2.2. A lac-operon: transzkripciós aktiválás/represszálás ............................................ 64

5.3. Az eukarióta génexpresszió szabályozása ............................................................................. 66

5.3.1. Eukarióta génregulációs fehérjék .................................................................................. 67

5.3.2. Eukarióta DNS-reguláló szekvenciák ........................................................................... 68

5.3.3. Génaktivátor fehérjék és a transzkripció .................................................................... 69

5.3.3.1. A génregulációs fehérjék szinergikusan dolgoznak .................................... 72

5.3.3.2. Eukarióta represszorok ........................................................................................... 72

5.3.3.3. Inzulátor DNS-szekvenciák .................................................................................... 74

5.4. Az X-kromoszóma inaktiválása nőkben ................................................................................. 74

5.5. DNS-metiláció .................................................................................................................................... 78

5.5.1. DNS-metiláció a genomi mintázatban .......................................................................... 79

5.5.2. CG-szigetek ............................................................................................................................... 81

6. Sejtkommunikáció ...................................................................................................................................... 83

6.1. Az extracelluláris szignálmolekulák ........................................................................................ 84

6.1.1. A szignálmolekulák hatótávolsága ................................................................................ 85

6.2. Autokrin szabályozás ..................................................................................................................... 87

6.3. Gap junction ........................................................................................................................................ 87

6.4. Plazmamembrán-receptorok ...................................................................................................... 88

6.4.1. Receptor-ioncsatornák ....................................................................................................... 88

6.4.2. Hét transzmembrán szegmenssel rendelkező, G-fehérje-kapcsolt receptorok ..................................................................................................................................... 89

6.4.3. Protein-kinázok, foszfoprotein-foszfatázok .............................................................. 93

6.4.3.1. cAMP-dependens protein-kináz (protein-kináz-A) ..................................... 93

6.4.3.2. A cGMP-dependens protein-kináz (protein-kináz-G) ................................. 94

6.4.3.3. Protein kináz-C ............................................................................................................ 94

6.4.4. Transzmembrán protein kinázok: növekedési faktor-receptor ....................... 95

6.4.5. Foszfoprotein-foszfatázok ................................................................................................. 96

6.5. A cAMP mediátorrendszer ........................................................................................................... 96

6.6. Inozitol-foszfolipid jelátviteli rendszer .................................................................................. 99

6.7. A guanilát-cikláz és a cGMP ...................................................................................................... 102

6.7.1. Nitrogén-monoxid .............................................................................................................. 102

7. Összetett folyamatok szabályozása .................................................................................................. 103

7.1. Éhezés – jól tápláltság ................................................................................................................. 103

7.1.1. A glikolízis – glukoneogenezis szabályozása .......................................................... 103

7.1.2. A glikogén felépítés – lebontás szabályozása ......................................................... 107

7.2. Programozott sejthalál: Apoptózis ........................................................................................ 110

7.3. Sérült fehérjeválasz (UPR) az endoplazmás retikulumban ........................................ 115

Utószó ................................................................................................................................................................ 120

Ábraanyag ........................................................................................................................................................ 121

Felhasznált és ajánlott irodalom ............................................................................................................ 126

Előszó

A Biokémia II. – Biokémiai szabályozás című tankönyv másodéves biomérnök

hallgatók számára készült, akik a Biokémia I. tantárgy során már elsajátították a

biokémiai, molekuláris biológiai alapismereteket. Ezeket alapul véve, ezekre építkezik a

tankönyv, amely kiemelten a biokémiai szabályozásokkal foglalkozik. A

szabályozástechnika, legyen az biológiai vagy más természetű, mindig a legnagyobb

kihívást jelentő területek egyike. A tankönyvet igyekeztünk úgy felépíteni, hogy a

részelemek ismertetését követően egyszerűbb, majd egyre összetettebb problémák felé

haladjunk. Reméljük, sikerült mindezt világos gondolatmenet mentén megtennünk, és

legalább akkora örömet jelent a tankönyv olvasása, a sejtünk titkaiba való bevezetés,

mint a tankönyv kigondolása és megírása jelentett a szerző számára.

Budapest, 2013. nyár

Szarka András


1. Bevezetés

A tankönyv elején érdemes tisztázni, hogy mivel is foglalkozik a biokémiai szabályozás-

technika.

A kérdés megválaszolásához vegyük a következő példát. Tekintsünk úgy a sejtre,

mint egy vegyipari üzemre. Nézzük meg, milyen hasonlóságok és analógiák vonhatók az

üzem és a sejt között:

üzem sejt

fal sejtmembrán

különböző specializálódott egységek sejtorganellumok, kompertimentumok

például: energiaellátó központ

raktár

gépgyártó sor

végszerelde

mitokondrium (kloroplaszt-növényekben)

vakuólum (bizonyos értelemben az ER is)

riboszómák

endoplazmás retikulum (ER)

központi irányítás,

információszolgáltatás,

elosztás

sejtmag

1.1. ábra. A sejt mint vegyipari üzem

1. Bevezetés 7


Az üzemet nyilvánvalóan el kell látni energiával. A sejt esetében ez az energia

leggyakrabban a glükózból származik. A hulladék anyagokat is el kell távolítani a sejt

(üzem) zavartalan működéséhez. Ilyen hulladék a CO2, illetve egyéb toxikus vegyületek,

amelyek a sejt működése során keletkeznek.

Az üzem életének szigorúan szabályozott körülmények között kell folynia:

a. Szigorúan meghatározott mennyiségű „gépet”, terméket kell előállítania. Sem

a túltermelés, sem a hiány nem megengedett.

b. Az egyes gyártási lépések között sem tolerálható a köztes anyagok hiánya,

feleslege.

c. Az energiafelhasználás (anyagfelhasználás) optimalizálására törekszünk.

Ezek együttesen biztosítják az optimális gépmennyiséget.

d. Fontos az egészséges munkakörülmények biztosítása, a külső vagy belső

gyártás során keletkező mérgek, szennyezőanyagok eliminálása.

Mindezek biztosításához szigorúan össze kell hangolni a részlépéseket, munka-

folyamatokat, az egyes alapanyagok, köztitermékek, késztermékek transzport-

folyamatait.

A sejt esetében ezen folyamatokkal foglalkozik a biokémiai szabályozástechnika.

Tanulmányaink során:

1. megismerjük a sejt gépeit, az enzimeket (mi az enzimek szerepe, milyen fontos

tulajdonságokkal bírnak)

2. a biokémiai alapfolyamatokat több szinten szabályozhatjuk (a sejt működési

hatásfoka [intenzitása], valamint a sejt gépeinek száma is szabályozható)

a) az enzimaktivitás szabályozásának lehetőségei:

i. gátlások

ii. szabályozások

1. allosztérikus enzimek

2. proteolitikus hasítás

3. foszforiláció

a fehérjék születése: – transzláció

– poszttranszlációs módosulások

a fehérjék aktív állapota

a fehérjék bukása –ubikvitizáció → lebomlások, proteaszóma

b) a gépek számának változtatása – az enzimmennyiségek változtatása,

szabályozása

i. sejtdifferenciáció és génexpresszió szabályozása

ii. a génexpresszió szabályozásában résztvevő DNS-t kötő fehérjék:

8 Biokémiai szabályozás


1. hélix-turn-hélix

2. cink-ujj fehérje

3. leucin-cippzár

4. hélix-loop-hélix

iii. a DNS-t felismerő fehérjeszakaszok azonosítása

iv. a gének ki- és bekapcsolása

1. lac-operon

2. triptofán-represszor

3. eukarióta sejtek transzkripciós szabályozása

a. transzkripciós faktorok

b. promóterek

c. génregulációs szekvenciák

d. génregulációs fehérjék

v. sejtdifferenciálódás

vi. poszttranszkripciós szabályozások

vii. a sejtszintű információáramlás: szignál-transzdukció

1. általános kitekintés: receptorok, ligandok

2. extracelluláris jeltovábbítás: paraszimpatikus és endokrin

lehetőségek

3. sejtmag receptorok: szteroid receptorok

4. sejtfelszíni receptorok:

a. ioncsatorna-kapcsolt

b. G-fehérjéhez kapcsolt

c. enzimkapcsolt

viii. célsejt adaptáció – receptor leszabályozás

ix. összetett folyamatok

1. glikolízis, glikogén lebontás/felépítés, vércukorszint-

szabályozás

2. apoptózis, sérült fehérjeválasz (UPR)


2. Biokatalizátorok – enzimek

Az enzimek szabályozásával kapcsolatos ismeretek megértéséhez szükségünk van

bizonyos termodikai alaptudásra.

Nézzük a következő reakciót:

papír+O2 füst+hamu+hő+CO2+H2O

A papír elég, hőenergiát juttat az atmoszférába, valamint vizet és széndioxidot,

viszont a füst és a hamu ezekkel a dolgokkal és a melegített levegővel sohasem képes

papírrá visszaalakulni. Amikor a papír elég, kémiai energiája, mint hőenergia

disszipálódik. Ezzel egy időben a papír atomjai, molekulái szétszóródnak, rendezetlenek

lesznek. A termodinamika nyelvén mondva szabadenergia-veszteség, szabadenergia-

csökkenés következik be. Ezt az energiát használjuk fel munkavégzésre vagy kémiai

reakciók végrehajtására.

Általánosan elmondhatjuk: a kémiai reakciók mindig a szabadenergia-csökkenés

irányába mennek végbe. Vagyis a reakciók spontán iránya az energetikailag

kedvezőbb irány.

Normál körülmények között a szén energetikailag legstabilabb formája a széndioxid

és a hidrogéné a víz. Az élő szervezetek mégsem válnak széndioxidköddé és a papír sem

kezd el lángolni kezeink között. Ennek oka, hogy az élő szervezet és a füzet molekulái

egy viszonylagos stabil állapotban találhatóak és ahhoz, hogy alacsonyabb

energiaszintre kerüljenek, energiát kell befektetni. Magyarul a molekuláknak aktivációs

energiára van szükségük ahhoz, hogy egy jóval stabilabb (alacsonyabb energiájú)

állapotba kerüljenek (2.1. ábra). Az égő füzet (papír) esetében az aktivációs energiát egy

meggyújtott gyufa jelenti. A vizes oldatban található molekulák számára az energiagáton

történő átjutást a szomszédos molekulákkal történő ütközés teremti meg (amely a

hőmérséklet emelkedésével egyre gyakrabban következik be).



2.1. ábra. Az enzimek, mint biokatalizátorok

Az energiagát átugrását az élő szervezetben az enzimek segítik. Ez az energiagát-

csökkentés annyira jelentős mértékű lehet, hogy az enzimek akár (több)milliószorosára

is gyorsíthatják a reakciókat. Emiatt szabályozásuk kiemelt fontossággal bír a sejt

életében, metabolizmusában. A reakció végén maguk változatlanok maradnak. Ezért

tekinthetjük őket biokatalizátoroknak. Hasonlóan bármely katalizátorhoz,

kizárólag termodinamikailag lehetséges reakciókat katalizálnak, mivel „csak”

az aktivációs energiát csökkentik, ezáltal hihetetlenül megnövelve a

reakcióba lépő molekulák számát (2.1. ábra);

tekintve, hogy általában fehérjemolekulák, reakcióra és/vagy szubsztrátra

specifikusak;

(Hasonlóan bármely katalizátorhoz) Maguk nem változnak a reakció során.

A hasonló reakciókat katalizáló enzimeket egyazon funkcionális csoportba soroljuk.

1. Oxidoreduktázok pl.: etanol + NAD+ acetaldehid + NADH + H+

2. Transzferázok pl.: glukóz + ATP glukóz-6 foszfát + ADP

3. Hidrolázok pl.: glukóz-6-foszfát + H2O glukóz + Pi

4. Liázok pl.: 2-foszfoglicerát foszfoenol-piruvát + H2O

5. Izomerázok pl.: glukóz-6-foszfát fruktóz-6 foszfát

6. Ligázok pl.: glutamát + NH3 + ATP glutamin + ADP + Pi

2. Biokatalizátorok – enzimek 11


A csoporton belül minden enzim specifikus, csak egy adott reakciót katalizál

viszonylag szűk szubsztrát tartományon belül (gyakran csak egyetlen meghatározott

molekula [szubsztrát] átalakítására képes).

Például: A hexokináznak a D-glukóz szubsztrátja, de az L-glukóz már nem

szubsztrátja.

A trombin a fibrinben csak egy adott arginin és a szomszédos glicin között

hasít, máshol nem.

Természetesen ez a specifikusság különböző mértékű lehet, előfordul, hogy egy adott

reakciótípusra, vagy adott funkciós csoportra korlátozódik csak, de ismertek kizárólag

egyszubsztrátos enzimek is.

Az enzimek hálózatot alkotnak. Az egyik enzim terméke igen gyakran egy másik

szubsztrátja és így tovább. Ennek eredménye az anyagcsere utak hálózata, az

energiaellátás biztosítása és a különböző molekulák szintézise.

2.1. Néhány szóban az enzimkinetikáról

Az enzimes reakciókkal kapcsolatos, alapvető reakciókinetikai összefüggéseket, törvény-

szerűségeket a következő egyszerű, egyszubsztrátos enzimes reakción szeretnénk

bemutatni:

Az adott idő alatt az enzim által megkötött és átalakított szubszrátmolekulák száma

behatárolt.

Ha növeljük a szubsztrátok számát, egy maximum értékig növekszik az átalakított

szubsztrát/keletkezett termék mennyisége. Ebben a pontban az enzimünk telítődött

szubsztrátjával és a reakció sebessége (Vmax) csak attól függ, hogy milyen gyorsan képes

az enzim a szubsztrátot átalakítani. A maximális sebességet az enzim koncentrációjával

osztva megkapjuk az enzim átviteli számát, mely az angolszász irodalomban turnover

number néven ismeretes. Ennek értéke egy és tízezer között szokott lenni, általában ezer

körüli.

Az enzimműködés kvantitatív jellemzése elengedhetetlen az enzimek megismerése

során, illetve széleskörű, irányított ipari felhasználásukhoz.

Tekintsük ismételten a következő egyszubsztrátos reakciót:



A reakcióval kapcsolatban a következő egyszerűsítéseket tesszük:

Feltételezzük, hogy az enzim (E) és a termék (P) között annyira ritkán játszódik le

enzim-szubsztrát komplexet (ES) eredményező reakció, hogy ezt el is hanyagolhatjuk.

Ekkor az EP komplexet nem szükséges megjelenítenünk és a reakció előrehaladását,

azaz a sebességét a következőképp fejezhetjük ki:

V = kcat [ES]

Ebben az esetben [ES] az enzim-szubsztrát komplex koncentrációja, kcat, az átviteli

szám, ami megadja, hogy egy enzimmolekula egy másodperc alatt hány szubsztrát-

molekulát alakít át. Az ES komplex koncentrációja az enzim és szubsztrát molekulák

összekeverését követően hirtelen nő, míg el nem éri az egyensúlyi állapotot (steady

state). Ebben az állandósult állapotban koncentrációja jó közelítéssel állandónak vehető:

ES fogyás = ES képződés

k-1[ES] + kcat [ES] = k1 [E][S]

A szabad enzim koncentrációja: [E] = [E0] - [ES]

Behelyettesítve:

Vezessük be a Km Michaelis-konstanst:

Km =

Ekkor

Illetve visszaírva: V = kcat [ES]

Megkapjuk a híres Michaelis–Menten-egyenletet:

Ha növeljük a szubsztrát mennyiségét, egy maximum értékig növekszik az átalakított

szubsztrát/keletkezett termék mennyisége. Ebben a pontban az enzimünk telítődött

szubsztrátjával (tehát minden enzimmolekula szubsztrátot köt) és a reakció sebessége

Vmax. Ezt a sebességet abban a pontban érjük el, ahol:



V = Vmax = kcat [E0]

Ez alapján a Michaelis–Menten-egyenlet általános formája a következő:

Az egyenletet grafikusan ábrázolva egy hiperbolát kapunk. A grafikus ábrázolás

segítségével meghatározhatóak az enzim kinetikai paraméterei a vmax és a Km. A Km

értéke egyszerűen megkapható, mint a vmax/2 sebességhez tartozó szubsztrát-

koncentráció (2.2. ábra).

2.2. ábra. Tipikus Michaelis–Menten-kinetikát követő enzim szubsztrátkoncentráció-sebesség ábrázolása

2.2. Az enzimes katalízis háttere

Az enzimek különösen nagymértékben gyorsítják meg a reakciókat. Ez számos

különböző tényezőnek tudható be. Lássuk, melyek ezek:

1. Az enzimek a katalitikus hely környezetében megnövelik a lokális szubsztrát-

koncentrációt (azáltal, hogy megkötik őket), valamint a reakció megkívánta

helyes orientációban tartják a megfelelő atomokat.

2. Talán a legfontosabb, hogy a kötési energia (szubsztrát kötés) hozzájárul a

közvetlen katalízishez. A szubsztrátmolekuláknak számtalan különböző

geometriájú és elektron-eloszlású köztes állapoton kell keresztülmenniük,



mielőtt a reakció végét jelentő formába jutnak. A legstabilabb átmeneti állapot

felvételéhez szükséges szabadenergia-mennyiség az aktivációs energia. Igazából

ez határozza meg a reakció sebességét. Az enzimek jóval nagyobb affinitással

bírnak az átmeneti állapotú szubsztrát, mint a stabil forma irányába. Ez a szoros

kötés nagymértékben csökkenti az aktivációs energiát, így jelentősen

meggyorsítja a reakciót.

Az enzimek tehát többféle generális stratégiát vetnek be a katalízis során. A

legfontosabbak:

a) az enzim megköti és pontosan orientálja egymáshoz a szubsztrátokat

b) a szubsztrát megkötésével az enzim átrendezi annak elektroneloszlását,

részlegesen + és - részeket eredményezve

c) az enzim megfeszíti a megkötött szubsztrátmolekulát, ezzel az átmeneti állapot

felé tolva

2.4. ábra. Az enzimek legfontosabb katalitikus stratégiái

Katalitikus antitestek

Az orientációs hatás jelentőségét segítenek megérteni az ún. katalitikus antitestek. Ezek,

az enzimhez hasonló térszerkezetük révén, stabilizálják az átmeneti állapotú

molekulákat, így meggyorsítva az alapreakciót, igaz, nem az enzimhez hasonló

mértékben (kb. 10 000- szeresére).

Természetesen az enzimek más úton-módon is hozzájárulnak a reakció minél

gyorsabb végbemeneteléhez. Pl. pontosan pozícionált atomokat tartalmaznak, amelyek

képesek a szubsztrát (átmeneti állapotú molekula) elektronszerkezetét deformálni.

A következőkben a lizozim segítségével nézzünk meg egy konkrét példát az enzimes

katalízisre.

A lizozim tulajdonképpen egy természetes antibiotikum. Megtalálható a tojás-

fehérjében, a nyálban, a könnyben, illetve egyéb szekrétumokban. A bakteriális sejtfal

poliszacharidjait bontja, egészen pontosan az 1-4-es glikozidos kötéseket az N-acetil-

muraminsav és az N-acetilglukózamin között. Ennek hatására a baktériumok nem

képesek ellenállni a turgornyomásnak és szétdurrannak.

Az enzimet még Fleming fedezte fel és nevezte el 1922-ben. Kisméretű (14602 Da),

könnyen izolálható. Így nem csoda, hogy ez volt az első enzim, amelynek röntgen-

diffrakciós szerkezete ismertté vált.



2.5. ábra. A lizozim katalitikus mechanizmusa

A lizozim által katalizált reakció, poliszacharidláncok hidrolízise, egy energetikailag

kedvező, tehát szabadenergia-csökkenéssel járó reakció. Az enzim távollétében azonban

vígan elvannak ezek a poliszacharid láncok még vizes közegben (oldatban) is, bármilyen

észrevehető bomlás, hidrolízis nélkül. Ez érthető, hisz a korábban említett energiagát

jelen esetben is érezteti hatását. A két cukormolekulát összekötő kötés kizárólag abban

az esetben hasad fel a hozzá ütköző vízmolekula hatására, ha a poliszacharidlánc adott

szerkezeti torzuláson megy keresztül, felveszi az átmeneti állapotot, amelyben a kötés

körüli atomok geometriája és elektroneloszlása megváltozik. Ez random módon csak

igen ritkán következik be, azonban jelentősen megváltozik a helyzet, amennyiben az

oldat lizozimet is tartalmaz. A lizozim aktív helye, tekintve, hogy szubsztrátja egy

polimer, egy hosszanti árok, amely egyszerre hat egymáshoz kapcsolt cukrot tud

megkötni. A lizozim sajátságos módon tartja a szubsztrátját, úgy, hogy kifordítsa a

kötésben részt vevő cukrok egyikét, kitörve a stabilis konformációjából. A felhasítandó

kötést úgy pozícionálja, hogy közel kerüljön az aktív hely két savas karakterű

aminosavához (egy glutamáthoz és egy aszpartáthoz) (2.5. ábra). Az enzim az enzim-

szubsztrát komplexben a bal oldali cukrot kifeszített, egyenes konformációban tartja,

miközben a 35-ös glutamáttal mint savval támadja a cukor-cukor kötést, protont

donálva a jobb oldali cukornak, illetve ellensúlyként az 52-es aszpartáttal támadja a C1-

szénatomon (2.5. ábra). Ennek következtében kialakul egy kovalans kötés az 52-es

aszpartát és a cukormolekula C1-szénatomja között. Mindeközben a 35-ös glutamát egy

vízmolekulát (pirossal jelölve) polarizál, hogy annak oxigénatomja megtámadhassa a C1-

szénatomot, így kiváltva az 52-es aszpartátot. A vízmolekula (pirossal jelölve) reakciója

befejezvén a hidrolízist, visszaállítja az enzim eredeti állapotát, miközben létrejön az

enzim-termék komplex (2.5. ábra).

Az enzimek működésükhöz nem fehérje és nem aminosav részeket is igényelnek.

Ezek egy része kovalensen kapcsolódik az anya fehérjelánchoz. Ezeket nevezzük

prosztetikus csoportoknak. A fehérjeláncokhoz kapcsolódó nem aminosav alkotók

lehetnek fémionok vagy szerves molekulák (koenzimek, lipidek, cukrok) (2.6. ábra).



2.6. ábra. Az egyik leggyakrabban előforduló prosztetikus csoport, a hem, szerkezete

Az enzimek megfelelő működésének alapja a szubsztráthoz való megfelelő hozzá-

férés. Ha egy reakció diffúziólimitálttá válik és/vagy az egyik enzimreakció terméke a

másik kiindulási anyaga, multienzim-komplexek jönnek létre. Ez hatékonyabb működést

(magasabb szubsztátkoncentrációt) eredményez. Magasabb szubsztátkoncentráció kom-

partmentalizáció révén is biztosítható.

http://0.tqn.com/d/chemistry/1/0/a/H/1/Heme_b.jpg


3. Enzimszabályozás

A korábbiakban láttuk, hogy egy-egy enzim több milliószorosára, akár milliárdszorosára

képes az általa katalizált reakció sebességét megnövelni. Ha figyelembe vesszük, hogy

egy élő sejt az enzimek ezreit tartalmazza a kis citoszolban vagy más kis térfogatú

kompartimentumban, továbbá, hogy ezek egy összetett metabolikus hálózatot alkotnak,

melyben igen gyakran az egyik enzim terméke a másik szubsztrátja, továbbá, hogy ez a

hálózat az elágazási pontok tömkelegét tartalmazza, beláthatjuk, hogy mindezek

következtében pontos, precíz szabályozásra van szükség a problémamentes anyagcsere,

sejtműködés lebonyolításához. Az anyagcsere összetettségéről és a szabályozási feladat

által képviselt kihívásról képet kaphatunk, ha a 3.1. ábrára tekintünk, melyen néhány

unatkozó biokémikus összefoglalta a sejtben folyó biokémiai reakciókat.

3.1. A sejtben folyó biokémiai reakciók összessége

A sejt életfolyamatainak szabályozása tehát igen jelentős mértékben az azokat kata-

lizáló enzimek mennyiségének, illetve aktivitásának szabályozására vezethető vissza.



A szabályozás több szinten valósulhat meg:

1. Befolyásolható az enzimmolekulák száma – ez majdnem kizárólagosan a gén-

expresszió szabályozása révén történik.

2. A sejt specializált kompertimentumokba telepíti a folyamatokat (enzimeket), itt a

szubsztrátkoncentrációt a citoszoltól eltérően alakíthatja.

3. Célzott fehérjelebontással az enzim (fehérjék) féléletidejét befolyásolhatja.

4. A leggyorsabb és legáltalánosabb módszer a reakció sebességének befolyáso-

lására az enzimaktivitás közvetlen és reverzibilis befolyásolása speciális mole-

kulák segítségével, amelyek végső soron a fehérje térszerkezetének változásán

keresztül fejtik ki hatásukat.

A szabályozási szintek tárgyalását a legáltalánosabb 4. pontban ismertetett esettel, a

már elkészült fehérjemolekulák aktivitásának befolyásolásával kezdjük. Kulcsmondatunk

a következő lesz: A fehérjék térszerkezete és funkciója szinonim fogalom.

Ez a mondat igen jól összefoglalja a fejezet lényegét, amennyiben befolyásoljuk,

megváltoztatjuk egy fehérje térszerkezetét, akkor, az maga után vonja annak funkció- és

aktivitásváltozását is!

Az ilyen jellegű szabályozás igen gyakran feed-back gátlás formájában valósul meg.

Feed-back gátlás során az enzimet, amely a metabolikus út egy korai szakaszán

található, egy a metabolikus út későbbi szakaszának terméke gátolja. Így amikor a

termék elkezd felgyülemleni, az gátolja az első enzimet, limitálva (megakadályozva),

hogy további szubsztrátmolekulák lépjenek be a metabolikus útvonalba (3.2. ábra).

3. Enzimszabályozás 19


3.2. ábra. Feed-back gátlás. A metabolikus út egy korai szakaszán található enzimet a metabolikus út egy későbbi szakaszának terméke gátolja

Amikor az útvonalak elágaznak vagy egymást keresztezik, akkor többszörös szabá-

lyozópontok alakulnak ki, amelyeket a következő végtermékek kontrollálnak, mindegyik

saját szintézisét befolyásolva (3.3. ábra).



3.3. ábra. Többszörösen elágazó (aminosav) metabolikus út szabályozása feed-back gátlással

A feed-back inhibíció azonnal működésbe lép és gyorsan megszűnik, amint a termék

szintje csökken. Amennyiben ez a típusú szabályozás csökkenti az enzim aktivitását,

negatív szabályozásról beszélünk (3.2. ábra).

Amennyiben a szabályozómolekula növeli az enzim aktivitását, pozitív szabályo-

zásról beszélünk. Ebben az esetben a metabolikus útvonal egyik ágának terméke egy

másik metabolikus útvonal enzimét aktiválja. Pl. az ADP feldúsulása aktiválja a cukor

lebontásában résztvevő enzimeket, hogy az ADP ATP-vé alakulását elősegítse.

Gyakran előfordul, hogy az anyagcsereút elő anyaga aktiválja a belépést katalizáló

enzimet.



Egymással ellentétes folyamatok esetén egy bizonyos molekula az egyik út számára

allosztérikus aktivátorként, míg a visszafelé folyó út enzime számára allosztérikus

inhibitorként viselkedik, így biztosítva az ellentétes utak koordinálását.

3.1. Allosztérikus enzimek

A szabályozás elnevezése igen találó magában hordozza, annak lényegét:

Allos= másik

Steros=szilárd vagy háromdimenziós (térbeli)

Egy szubsztráttól különböző molekula az enzim egy regulációs helyéhez kötődik

(amely hely nem azonos az aktív hellyel), ezáltal befolyásolva annak aktivitását. A szabá-

lyozómolekula alakja gyakran teljesen eltérő a szubsztráthoz képest. Tehát az aktív

helyhez kötődik a szubsztrát, a regulátormolekula pedig a regulációs helyhez. A két

kitüntetett helynek kommunikálnia kell, hogy a regulátormolekula bekötése befolyásol-

hassa az aktív helyet.

Ez a kommunikáció a fehérje térszerkezet-változásán keresztül valósul meg. A bekö-

tődő szabályozómolekula konformáció változást, ez pedig aktivitásváltozást eredményez.

Úgy gondoljuk, hogy a fehérjék jelentős része allosztérikus:

– enzimek,

– receptorok,

– szerkezeti fehérjék,

– motorfehérjék.

A ligandok azt a konformációt stabilizálják, amelyikhez a legerősebben kötődnek, így

kellően magas ligandkoncentrációnál a fehérje ezen konformációja lesz „bekapcsolva”.

Az alaposabb megértéshez vegyük a következő példát.

Adott egy fehérje, amelynek két kötőhelye van elkülönülten. Az egyikkel a

szubsztrátját, a glukózt, a másikkal egy regulátormolekulát, X-et köt.

Ha a glukóz bekötődése megváltoztatja az X-kötőhely alakját, akkor a két kötőhely

kapcsolt.

Ha mindkét ligand ugyanazon fehérje konformációt részesíti előnyben, akkor

bármelyik bekötése növeli a fehérje másik irányába mutatott affinitását. Tehát ha a zárt

forma köti legjobban a glukózt és ez a zárt forma szintén kedvezőbb az X-kötőhely

számára, hogy X-et kössön, akkor a fehérje szorosabban köti a glukózt, ha X jelen van,

mintsem ha nincs. A szabályozás ebben az esetben pozitív szabályozás (3.4. ábra).



3.4. ábra. Pozitív allosztérikus reguláció

Következésképpen a kötőhelyek összekötöttsége negatívan befolyásolja a kötődést,

ha a két különböző molekula a különböző konformációkhoz szeret jobban kötődni.

Ebben az esetben az első ligand bekötődése csökkenti a második (másik) ligand

bekötődésének valószínűségét (3.5. ábra).

3.5. ábra. Negatív allosztérikus reguláció



A kötöttség mértéke mennyiségileg oda-visszaható. Ha a glukóznak nagy hatása van

X kötődésére, akkor X-nek is nagy hatása van a glukóz bekötődésére. Mivel X-molekula

nem a katalitikus (aktív) helyhez kötődik, nem szükségszerű, hogy bármilyen kémiai

kapcsolat legyen közte és a glukóz vagy bármelyik másik ligand között, amely az aktív

helyhez kötődik. Ahogy láttuk az X-molekula egyszerűen képes bekapcsolni (+ reguláció)

vagy kikapcsolni (- reguláció) az enzimet.

Ezáltal az allosztérikus fehérjék általános kapcsolóként működnek, amelyek

megteremtik a lehetőséget, hogy egy molekula egy másik molekula sorsát meghatározza

a sejten belül.

3.1.1. Kooperativitás

Egy alegységes enzim feed-back inhibíciója során 90% aktivitásról 10%-ra szabályo-

zódik vissza, ha az inhibitor koncentráció 100-szorosára nő.

Ez nem ad lehetőséget éles szabályozásra. A legtöbb ligand által be- és kikapcsolható

enzim több egymással megegyező enzimatikus alegységből áll. Ebben az elrendeződés-

ben, ha egy ligand beköt az egyik alegységen levő kötőhelyre, kivált egy allosztérikus

változást az alegységen belül, amely később átterjedhet a szomszédos alegységekre, elő-

segítve őket, hogy ugyanezt a ligandot megkössék. Ennek eredményeképp egy koope-

ratív allosztérikus átalakulás jön létre (3.6. ábrán kék vonallal jelölve), lehetővé téve,

hogy a sejtben bekövetkező kisarányú ligand koncentráció-változás teljesen aktiválja,

vagy teljesen inaktiválja az egész apparátust (enzimet, fehérjét).

3.6. ábra. Egy- és több alegységes enzimek inhibitor koncentráció – relatív enzimaktivitás összefüggése

Az első ligand bekötése nehezebb, mivel ennek során egy energetikailag kedvező

kapcsolat bomlik fel az alegységek között, viszont a második ligand bekötődése jóval

könnyebb, mivel ez visszaállítja a szimmetrikus molekula monomer-monomer kapcso-

latát (és ezzel egyidejűleg teljesen inaktiválja az enzimet) (3.7. ábra).



3.7. ábra. Két azonos alegységből álló enzim kooperatív-allosztérikus átmenete

Jóval élesebb hatás érhető el, ha a ligand egy nagyobb szerkezethez, mondjuk egy 12

polipeptid láncból álló enzimhez kötődik.

A szubsztrátétól eltérő szerkezetű allosztérikus effektor hatását heterotróp

hatásnak nevezzük. Több azonos alegységből álló fehérje (enzim) esetén figyelték meg

az allosztéria egy sajátos változatát, a homotróp hatást. Ebben az esetben egyetlen

molekula, enzimek esetén maga a szubsztrát, képes betölteni az allosztérikus ligand

szerepét.

Az élesebb hatás alapja ez esetben is az lesz, hogy az első ligand (szubsztrát)

bekötődése nehezebb, majd a bekötéssel együtt járó konformáció változás hatására a

második, harmadik, negyedik szubsztráté már sokkal könnyebb lesz.



A pozitív homotróp hatás érvényesülése esetén a hiperbolikus telítési görbe torzul:

szigmoid lesz. Kis szubsztrát koncentráció esetén kicsi a kötődés valószínűsége, a

szubsztrát koncentráció növekedtével (és a konformáció változással) a kötődési esély

megnő. Ennek eredménye lesz a szubsztrát koncentráció emelkedésével meredeken

emelkedő telítési görbe.

A kooperativitás egyértelmű előnye tehát a szűkebb ligand/szubsztrát koncentráció-

tartományban bekövetkező éles aktivitásváltozás. Ez pedig igen komoly regulációs

előnyt jelent.

A kooperativitás és az allosztérikus szabályozás bemutatására a legjobb példát a

hemoglobin oxigénkötése adja. Így a következőkben ezzel részletesen is foglalkozni

fogunk.

3.1.2. A hemoglobin szerkezete és oxigénkötése

A hemoglobin szerkezetét és oxigénkötésének sajátságait, szabályozását egy másik

oxigén kötésére képes molekula, a mioglobin szerkezetével, oxigénkötési sajátságaival

együtt tárgyaljuk. Tesszük ezt azért, mert a párhuzamos tárgyalási mód igen fontos

biokémiai szabályszerűségek megvilágítására ad módot. A két molekula igen hasonló

szerkezettel rendelkezik, mindkettő globin fehérjeláncból és a hozzá kovalensen

kapcsolódó hem prosztetikus csoportból áll. Igen fontos különbség azonban, hogy míg a

mioglobin monomer, addig a hemoglobin tetramer (3.8. és 3.9. ábra).

3.8. ábra. A mioglobin monomer szerkezete



3.9. ábra. A hemoglobin tetramer szerkezete

Mielőtt a két oxigénkötésre képes molekula szerkezetének mélységeibe merülnénk,

ejtsünk néhány szót az oxigéntárolás/szállítás szerepéről. Anyagcserénk oxigén nélkül

elképzelhetetlen lenne, ez könnyen belátható, ha csak a terminális oxidáció irdatlan

oxigénigényére gondolunk. A hemoglobin vitathatatlan szerepét az oxigénszállításban

aláhúzza a megfigyelés, mely szerint a hemoglobinmentes vér oxigénkoncentrációja 5 ml

oxigén/liter, mindez hemoglobinnal 250 ml oxigén/liter.

A hemoglobin, mint minden hemoprotein, vasat (Fe[II]) és az azt koordináló

protoporfirin-IX vázat tartalmaz. Ez a váz adja a hemoproteinek jellegzetes színét. A vas

koordinációs kötései közül 4 a protoporfirin gyűrű N-atomjaival jön létre, 2 további

kötés a hem síkjának két oldalán. Egy a globinlánc egy (proximális) hisztidinjével jön

létre, ebben az irányban kiemelkedik a dezoxi-hemoglobinban a porfinváz síkjából a

vasatom. A másik oldalon található az oxigén kötőhely. Itt érdemes megjegyeznünk, hogy

a szén-monoxid igen veszélyes, mivel 300-szor jobban kötődik a hemoglobinhoz, mint az

oxigén. Fontos tudnunk, hogy kizárólag a ferro(II)-hemoglobin köt oxigént, a ferri (III)

vagy más néven methemoglobin nem képes oxigént kötni.

Ha végignézzük a hemoproteinek funkcióit, megállapíthatjuk, hogy az oxigénszállítás,

kötés (Hb, Mb) Fe (II) állapotban valósul meg, azonban az elektrontranszfer-

reakciókban résztvevő hemoproteinek (pl. citokrómok) esetében fontos szerepet kap a

Fe (II) – Fe (III) átmenet, hasonlóan a redoxireakciókhoz (pl. citokróm P450 enzimek),

ahol a Fe (II) megköti az oxigént majd redukálja, miközben Fe (II) – Fe (III) átmenet

következik be.



A rövid kitérőt követően térjünk vissza a két molekula térszerkezetéhez. A

hemoglobint tehát 4 polipeptidlánc alkotja, melyek mindegyikéhez egy-egy hem tartozik.

Ezekhez egy-egy oxigénmolekula kötődhet. A felnőtt hemoglobin A-t (adult) két alfa és

két béta lánc alkotja (3.9. ábra). A magzati hemoglobin F (foetalis) két alfa és két gamma

láncból áll. A láncokat ionos és apoláris kötések tartják össze. Ha egy pillantást vetünk a

mioglobin és a hemoglobin oxigéntelítési (szaturációs) görbéjére (3.10. ábra) megálla-

píthatjuk, hogy azok jelentős különbséget mutatnak, míg a mioglobin klasszikus hiper-

bolikus telítési görbével jellemezhető, addig a hemoglobin telítési görbéje szigmoid.

3.10. ábra. A hemoglobin és a mioglobin oxigéntelítési (szaturációs) görbéje

Az ábrát figyelmesebben tanulmányozva megállapíthatjuk, hogy a mioglobin

alkalmatlan az oxigénszállításra, mivel a szövetekben nem képes leadni azt. Láthatjuk,

hogy a hiperbolikus telítési görbe miatt a tüdőre jellemző oxigén parciális nyomáson

telítődik (közel 100%-os szaturáció) oxigénnel, azonban a szövetekre jellemző parciális

nyomáson még mindig igen magasan halad a görbe. A parciális nyomáskülönbségek csak

igen csekély mértékű oxigén leadását tennék lehetővé (3.10. ábrán magenta nyilakkal

jelölt). Nagyobb mennyiségű oxigén leadása csak igen csekély oxigén parciális nyomás

mellett lehetséges. Ezzel függ össze a mioglobin fiziológiás szerepe: az izmokban történő

oxigéntárolás. Oxigén tárolására kifejezetten kedvező ez a karakterisztika.

A mioglobinnal szemben a hemoglobin szigmoid telítési görbével jellemezhető, így a

tüdőben telítődik oxigénnel (közel 100%-os a szaturáció ebben az esetben is), a

szövetekben tapasztalható alacsonyabb parciális nyomáson pedig leadja azt (3.10. ábrán



kék nyíllal jelölve). A hemoglobin így ideális jelölt az oxigén szállítására. Mi állhat az

eltérő karakterisztika hátterében? Ahogy azt korábban említettük, a fehérjék szerkezete

és funkciója között szoros összefüggés van. A mioglobin monomer, így a szokásos

hiperbolikus telítési görbével jellemezhető, a hemoglobin azonban tetramer, melynek

láncai között érvényesül a kooperativitás, ami szigmoiddá teszi telítési görbéjét.

Lássuk csak, hogyan támogatja a hemoglobin szerkezete a kooperativitás megvaló-

sulását! Amennyiben a hemoglobin négy alfa vagy négy béta-láncból állna, hiperbolikus

oxigéntelítési görbéje lenne. A deoxihemoglobinban (oxigént nem kötő forma) a vasatom

0,06 nm-rel kilóg a porfiringyűrű síkjából (3.11. ábra). Az oxigénkötés megváltoztatja a

hemoglobin negyedleges szerkezetét. Az oxigén megkötésével a vasatom behúzódik a

gyűrűbe, a vele kovalensen összekötött fehérjelánc szerkezete is megváltozik, ezért

megváltoznak az alfa- és béta-láncok közötti H-híd-kötések és apoláris kölcsönhatások,

valamint felszakad a deoxihemoglobint stabilizáló 8 ionpár.

3.11. ábra. A hemoglobin oxigénkötésre elszenvedett térszerkezet-változása

A deoxihemoglobinban tehát ionpárok kötik össze a globinláncokat (Tense forma),

míg az oxihemoglobinban (Relaxed forma) ezek felszakadnak. Így már érthető, hogy

miért lesz szigmoid a hemoglobin oxigéntelítési görbéje, hisz a feszített deoxi-formát

stabilizáló ionpárok akadályozzák az oxigén megkötését. (A deoximioglobin és az

oximioglobin szerkezete hasonló.) Felmerül a kérdés, hogy mi stabilizálja a

deoxihemoglobin negyedleges szerkezetét?



A válasz megadásában segít a megfigyelés, mely szerint a hemoglobinoldatban

nagyobb affinitással köti az oxigént, mint a vörösvértesten belül. Tehát a sejten belül

valami lerontja a hemoglobin oxigén iránti affinitását.

Ez a „faktor” egy glikolízis-mellékreakció során képződő, a vörösvértestben nagy

mennyiségben termelődő kis molsúlyú anyag, a 2,3-biszfoszfoglicerát (3.12. ábra).

3.12. ábra. A 2,3-biszfoszfoglicerát

Nézzük meg, pontosan milyen szerepet tölt be a 2,3-biszfoszfoglicerát a hemoglobin-

oxigénkötés szabályozásában! A 2,3-biszfoszfoglicerát ekvimorális arányban kötődik a

deoxihemoglobinhoz, 1 tetramer hemoglobin-molekula 1 molekula 2,3-biszfoszfoglice-

rátot (2,3-BPG) köt. A 2,3-BPG-nek fiziológiás viszonyok között 5 negatív töltése van

(3.12. ábra). A hemoglobin 2,3-BPG kötőhelyét a béta-láncok 4 His, illetve 2 Lys

aminosava alakítja ki. A pozitív töltésű aminosav-oldalláncok és a negatív töltésű 2,3-

BPG közötti kölcsönhatások olyan kötődést hoznak léte, amely stabilizálja a deoxi-Hb

negyedleges szerkezetét (3.13. ábra).

A 2,3-BPG az oxihemoglobinhoz nem kötődik, az oxigenálódás folyamán a láncok

elmozdulása miatt a BPG kötőhely megváltozik, szűk lesz a 2,3-BPG számára. Így az 2,3-

BPG tulajdonképpen a hemoglobin allosztérikus regulátora.

3.13. ábra. A hemoglobin és a 2,3-biszfoszfoglicerát kapcsolata



A 2,3-BPG koncentrációja nagyjából 4,5 mM és szabályozott; a szabályozás pontos

mechanizmusa jelenleg ismeretlen.

A glikolízisben résztvevő egyes enzimek szintézisének zavarai a vörösvértestekben

befolyásolják a 2,3-BPG szintet. Így hexokináz-hiányos állapotokban a 2,3-BPG szint

csökken, ezért az oxigéntelítési görbe balra tolódik, a hemoglobin oxigénaffinitása nő.

Piruvát-kináz hiányos állapotokban a görbe jobbra tolódik, mert a 2,3-BPG

koncentráció emelkedett, a hemoglobin oxigénaffinitása csökken.

A krónikus hipoxia esetén a 2,3-BPG szint megemelkedik 4,5 mM-ról 8,0 mM-ra.

Magaslati levegőn (4500 m) 2 nap alatt 7,0 mM-ra emelkedik. Tulajdonképpen ezt

használják ki a hegymászók és ezért építenek akklimatizációs táborokat. Ilyenkor, pár

nap alatt megemelkedik a vér 2,3-BPG szintje, aminek hatására a hemoglobin

oxigénkötése leromlik, így nagyobb lesz a tüdő és szövetek telítettsége közötti

különbség, jobbra tolódik a hemoglobin oxigéntelítési görbéje és jóval nagyobb

mennyiségű oxigént tud leadni a szövetekben. Tengerszintre visszatérve a 2,3-BPG

szintje viszonylag gyorsan visszaáll.

A tárolt vér 2,3-BPG tartalma folyamatosan csökken, ezért oxigén affinitása nő.

Transzfúzió esetén ez előnytelen, ezért a tárolt vérhez inozint adnak, amelynek hatására

2,3-BPG képződik a glikolízis során.

A hemoglobin F kisebb mértékben köti a 2,3-BPG-t, mint a Hb A, így a Hb F

oxigénaffinitása nagyobb, mint a Hb A-é. A Hb F Hb A-nál nagyobb oxigénaffinitása

elősegíti az oxigén bejutását az anyai keringésből a magzati vérkeringésbe.

Bohr-effektus

A hemoglobin és a mioglobin között további lényeges különbség az, hogy a hemoglobin

protonokat és széndioxidot is köt, illetve szállít. A pH csökkenésével a hemoglobin

oxigénaffinitása csökken (pH 7,6 – pO2= 40 Hgmm értéknél a visszatartott oxigén 80%,

míg pH 6,8 – pO2= 40 Hgmm értéknél a visszatartott oxigén 45%). A keletkezett

széndioxid kb. 15%-a a hemoglobinhoz kötődik. Fokozott anyagcsere (pl. izommunka)

esetén több széndioxid termelődik, ilyenkor az oxigénszükséglet is fokozódik. A

laktáttermelés megemelkedik, a vér pH értéke csökken, a hemoglobin oxigéntelítési

görbéje jobbra tolódik (3.14. ábra). A jelenséget Christian Bohr dán fiziológus (Niels

Bohr fizikus édesapja) írta le, tiszteletére Bohr-effektusnak nevezték el. A képződött

széndioxidot, illetve a protonok egy részét a hemoglobin úgy köti meg, hogy a béta-lánc

N-terminális aminocsoportjával karbamátot (OOC-HN-R) képez. További sókötések

jönnek létre, ami tovább csökkenti a hemoglobin oxigén affinitását. A tüdőalveolusokban

a hemoglobin leadja a felvett széndioxidot, illetve protonokat és oxigént vesz fel.

Mindezek eredményeképpen fokozott izommunka során a szövetekben leadható oxigén

mennyisége jelentősen megnő.



3.14. ábra. A hemoglobin oxigéntelítési görbéje különböző pH-értéken (Bohr-effektus)

3.2. Fehérjék térszerkezetének, aktivitásának befolyásolása foszforiláció/defoszforiláció által

Míg az előző fejezetben ismertetett allosztérikus szabályozás során a regulátormolekula

másodrendű kötésekkel pillanatszerű asszociáció/disszociáció során kapcsolódott a

fehérjéhez és így igen gyorsan bekövetkezett a térszerkezet-/aktivitásváltozás, addig a

fehérjék foszforilációja kovalens módosításról lévén szó: 1. jóval lassabb, 2. tartósabb, 3.

enzim-katalizált (mind a foszforiláció, mind a defoszforiláció) folyamat (3.15. ábra). A

kétféle szabályozási mód (allosztérikus, foszforiláció/defoszforilációval történő)

kiegészíti egymást az eukarióta sejtekben.

A foszforiláció két módon is érintheti, módosíthatja a fehérjéket:

1. Minden PO4 csoport 2 negatív töltést hordoz. Ennek következtében jelentős szer-

kezeti változást generálhat: pl. pozitívan töltött aminosav részleteket vonzhat

magához. A foszfátcsoportot eltávolítva természetesen visszaáll az eredeti

helyzet.



2. A fehérjéhez kapcsolódott foszfátcsoport egy olyan szerkezet része is lehet,

amelyet más fehérjék kötőhelye ismer fel. Nagyobb fehérjékben gyakran for-

dulnak elő olyan kis fehérjedomének, modulok, amelyek kötőhelyül szolgálhatnak

más foszforilált fehérjék részére. Egy ilyen modul az SH2-domén, amely foszfo-

tirozint tartalmazó peptidszakaszokhoz köt, de rajta kívül még vagy 10 hasonló

fehérjerészlet ismeretes. A foszforiláció ilyeténképp fehérjeszerkezetek össze- és

szétszerelésében is fontos tényező.

A fehérjefoszforiláció mint szabályozási mechanizmus elterjedtségét mi sem mutatja

jobban, mint az a megfigyelés, mely szerint az emlőssejtek 10 000 fehérjéjének mintegy

harmada található foszforilált állapotban az adott pillanatban. A PO43--csoport az ATP-

terminális foszfátcsoportjának terhére történő felvitelét transzferázok, a protein

kinázok katalizálják (3.15 ábra).

3.15. ábra. Fehérje foszforiláció/defoszforiláció

Az ATP hidrolízis miatt a reakció egyirányú. A sejtben több száz különböző protein

kináz található, amelyek a fehérjék szerin-/treonin- (Ser/Thr kinázok) vagy tirozin (Tyr

kinázok) oldalláncainak hidroxilcsoportjára transzferálják a foszfátcsoportot (3.16.

ábra).



3.16. ábra. Szerin-/treonin- és tirozin-foszforiláció

A foszfátcsoport eltávolítását a foszfoprotein-foszfatázok katalizálják. Hasonlóan a

kinázokhoz a sejt foszfoprotein-foszfatázok tömkelegét tartalmazza, amelyek specifi-

citása jelentős különbséget mutat, némelyikük a fehérjék tágabb csoportját képes foszfo-

rilálni, vagy defoszforilálni, míg mások kizárólagosan csak egy fehérjével képesek ezt

megtenni.

A protein kinázok egy nagy enzimcsalád tagjai, amelynek tagjai egy nagyjából 290

aminosavas-katalitikus (kináz) doménnel rendelkeznek. A fehérjelánc további részei

nagyobb változatosságot mutatnak az egyes családtagok között (3.17. ábra). Ezek

felelősek a szubsztrát felismerésért, illetve a kinázaktivitás szabályozásáért.



3. 17. ábra. Protein kináz háromdimenziós szerkezete

A kinázok szabályozása elsősorban két módszerrel történik: különböző ligandok

indikálta allosztérikus szabályozással (Pl.: cAMP, Ca2+-kalmodulin), illetve másik kináz

által. Az utóbbi lehetőséget ad a különböző jelátviteli utak közötti kommunikációra,

illetve a foszforilációs kaszkádok által a jel igen nagyarányú felerősítésére (kaszkád-

erősítő) (3.18. ábra).



3.18. ábra. Kináz-kaszkád-erősítő

A foszfátcsoport bevitele tehát szerkezetváltozást indukál a fehérjemolekulában,

amit eltávolítása függeszt fel. Ezáltal a módszer alkalmas fehérjék/enzimek ki- és be-

kapcsolására, vagy más fehérjékhez, illetve DNS-hez történő kapcsolódás/lekapcsolódás

kiváltására. Hogy a foszforilált, vagy a defoszforilált forma-e az aktív forma, arról

általánosságban nem lehet nyilatkozni. Amennyiben a foszfátcsoport bevitele okozta

térszerkezet-változás bekapcsolja a fehérjét, akkor a defoszforiláció kikapcsolja. Termé-

szetesen ez fordított irányban is lehetséges, a foszforiláció kikapcsolja, a defoszforiláció

bekapcsolja az adott fehérjét (3.19. ábra).

3.19. ábra. Fehérjék aktivitásának befolyásolása foszforilációval/defoszforilációval



3.3. Limitált proteolízis

A harmadik (már kész) fehérjék aktivitásának szabályozására alkalmas módszer neve is

igen beszédes:

Proteolízis: peptidkötések hasítása,

Limitált: csak jól definiát helyen történik.

A módszer által elérhető, hogy kizárólag a betöltött funkció helyén (erre jó példa az

emésztőenzimek aktiválása, amelyek kizárólag a gyomorba/bélbe jutva aktiválódhatnak,

nehogy megemésszék az előállító szövetet), illetve bizonyos körülmények között (erre jó

példát szolgáltatnak a véralvadási enzimek, amelyek kizárólag érfal sérüléskor aktivá-

lódhatnak) legyenek aktívak. A limitált proteolízissel aktiválódó fehérjék, enzimek elő-

alakként, zimogén formában szintetizálódnak, majd később aktiválódnak, miközben

adott helyen hasad a fehérjeláncuk. Fehérjehidrolitikus enzimek másik szabályozási

módja a proteázinhibítorokon keresztüli szabályozás. Röviden erről is szólunk.

3.3.1. Inaktív zimogének és aktiválódásuk

A limitált proteolízissel aktiválódó fehérjék két különböző stratégiát választhatnak:

1. Az aktív centrum kialakul a szintézist követően, de a fehérje egy másik része

lefedi (erre szolgáltat jó példát a pepszinogén).

2. Az aktív centrum csak a limitált proteolízist követő szerkezetváltozás kapcsán

alakul ki (erre szolgáltat jó példát a tripszinogén).

Vegyük szemügyre alaposabban mindkét esetet:

3.3.1.1. Pepszinogén

A pepszinogént a gyomor fősejtjei termelik, gasztrin stimulusra szekretálódik. Meglehe-

tősen széles szubsztrátspecificitással rendelkezik, az aromás aminosavak és dikarbon-

savak melletti peptidkötéseket bontja.

A pepszin zimogén előalakjából a pepszinogénből keletkezik. Aktív centruma már a

pepszinogénben kialakul, de az aktivitásért felelős két aszpartát ionos kötést létesít az

előalak távolabbi részén található argininekkel, lizinekkel. Ezek az ionos kötések savas

pH-n (pH<5) megszűnnek, mivel az aszpartát karboxil csoportjának disszociációja

visszaszorul. Ekkor a fehérjelánc kinyílik és a térszerkezet-változásnak köszönhetően

önemésztődik az előalak és kialakul a teljes aktivitással rendelkező pepszin (3.20. ábra).



3.20. ábra. A pepszinogén aktiválódása limitált proteolízissel

3.3.1.2. Enterális proteázok zimogénjei

Az enterális proteázok, előalak formájában, a hasnyálmirigyben termelődnek, ahonnan

szekretin és kolecisztokinin stimulusra a vékonybélbe választódnak ki. Ezt követően a

vékonybélben termelődő enteropeptidáz a tripszinogént limitált proteolízissel

tripszinné alakítja, majd ez végzi a többi enzim aktiválását (kimotiszinogén, proelasztáz,

prokarboxipeptidáz-A) (3.21. ábra). Amennyiben az enzimek aktiválása hiányt szenved,

emésztési gondokkal, amennyiben viszont túlaktiválás (illetve túl korai aktiválás)

következik be, nekrotizáló hasnyálmirigy gyulladással (pancreatatis) kell szembenézni.



3.21. ábra. Az enterolis proteázok zimogénjükből történő aktíválódása limitált proteolízissel

3.3.1.3. Proteázinhibitorok

A két legismertebb proteázinhibítor a pancreas tripszininhibitor és az α1–proteáz

inhibitor.

A Pancreas tripszininhibítor tulajdonképpen egy 6000 Da-os műszubsztrát, amelyet

a tripszin nagyon lassan bont a Lys15 – Ala16 aminosavak között több hónapos

féléletidővel.

Az α1–proteázinhibítor egy akut fázisfehérje, feltehetően a Ser-proteázokkal behatoló

baktériumokkal szembeni védekezés fontos eleme. Elsősorban elasztázinhibitor, de

gyakorlatilag bármely szerinproteázt gátolja. Az inhibítor COO--csoportja és a Ser OH-ja

között lassan hidrolizáló észterkötés alakul ki.

A Met358 nélkülözhetetlen az enzimkötődésben. Dohányosokban ez a metionin

oxidálódik metionin-szulfoxiddá és ezáltal inaktíválódik. Az elégtelen inhibitorfunkció

veleszületett is lehet. Ennek következtében az elasztázok kontrollálatlanul működnek,

melynek legszembetűnőbb következménye a tüdőtágulás (emphysema).


4. Fehérjefolding, fehérjelebontás – ubikvitin-proteaszóma rendszer

Ugyan a fehérjék végleges, funkcionális térszerkezetének felvétele, a szintézisüket köve-

tő feltekeredésük, foldingjuk szorosan nem tartozik a biokémiai szabályozástechnika

témakörébe, röviden mégis foglalkozunk vele. Tesszük ezt legalább két ok miatt. Ahogy

korábban láttuk, a fehérjék térszerkezete, annak megváltozása direkt kapcsolatban van

funkciójuk megváltozásával. A hibásan feltekeredett fehérjék, az ismételten sikertelen

feltekeredésüket követően egy központi lebontó apparátus, az ubikvitin-proteaszóma

rendszer ügyfelei lesznek. Szintén ennek a fehérjelebontó rendszernek ügyfelei lesznek

azok a fehérjék, amelyekre már nincs szükség, így a fehérjék élettartam-szabályozásán

keresztül a tématerület végső soron kapcsolódik a sejtben zajló szabályozástechnikai fo-

lyamatokhoz. Végül, de nem utolsó sorban, rendkívül érdekes, ezért sem lenne érdemes

megfosztani magunkat tárgyalásától.

4.1. Poszttranszlációs módosulások

A transzláció során szintetizált fehérjeláncok jelentős része további reakciók tárgya lesz,

hogy elnyerje végső, biológiailag aktív formáját. Ezeket a transzlációt követő, fehérje-

láncot érintő reakciókat összefoglalóan poszttranszlációs módosulásoknak nevezzük.

Poszttranszlációs módosulásokon mind a prokarióta, mind az eukarióta sejtek fehérjéi

keresztülmennek.

4.1.1. Fehérjefolding

A fehérje foldingja során elnyeri aktív háromdimenziós konformációját. Lezajlanak a

poszttranszlációs módosulások, illetve a fehérjelánc hidrofób részeit befelé fordítja,

kvázi beburkolja külső hidrofil felszínével, elzárja a vizes közegtől. Így a vizes közegben

energetikailag kedvezőbb szerkezetet vesz fel.

A foldingnak viszonylag gyorsan kell lezajlania. Ezt támogatja a kialakult aminosav

sorrend is a fehérjékben.

Számos esetben, ahogy az N-terminális megszintetizálódik a riboszómán, elkezdődik a

lánc feltekeredése. A több doménnel rendelkező fehérjék néhány másodperccel a riboszó-

mát elhagyva már egy viszonylag kompakt szerkezetet vesznek fel, amely többé-kevésbé

tartalmazza a másodlagos szerkezetet (α-hélix, β-redő). A legtöbb fehérje esetében ez a

flexibilis és viszonylagosan nyitott szerkezet az „olvadt gombóc” állapot a kiindulópont a



további foldinghoz, amely során kialakul a másodlagos kötésekkel stabilizált végleges

negyedleges szerkezet.

Egy átalagos fehérje szintézise néhány percen keresztül folyik, számos fehérje

esetében a folding jelentős része lezajlik, mire a C-terminális szabaddá válik a riboszó-

máról (4.1. ábra).

4.1. ábra. Fehérjék transzlációjával párhuzamosan zajló folding

Az „olvadt gombóc” állapotból több lehetséges út vezethet a végleges szerkezetig.

Ezen útvonalak intermedierei aggregálódhatnak, ezáltal lekerülhetnek az útvonalról,

végső soron mint sikertelen folding-próbálkozások megemésztődhetnek.

Ezeket a részlegesen, vagy nem megfelelő módon feltekert fehérjéket a hősokk-

fehérjék tudják megóvni az aggregációtól, illetve segítségükre vannak a helyes térszer-

kezethez vezető út megtalálásában is.

4.1.1.1. Hősokk-fehérjék – molekuláris chaperonok

Radioaktív aminosavakkal követett fehérjeszintézis és foldingkísérletek során kimutat-

ták, hogy a fehérjék 20%-a hsp70, 10%-a pedig hsp60 ügyfél. Mindkét fehérje saját se-

gédfehérjék kis csoportjával dolgozik együtt, hogy más fehérjék feltekeredését segítsék.

A hsp70 már a szintézis során, mielőtt az még elhagyná a riboszómát, hozzá-

kapcsolódik a fehérjék nagyjából hét aminosav hosszú hidrofób aminosav részleteihez

(4.2. ábra).

4. Fehérjefolding, fehérjelebontás – ubikvitin-proteaszóma rendszer 41


4.2. ábra. A hsp70-család munka közben

Ezzel szemben a hsp60-szerű fehérjék egy nagy hordóalakú szerkezetet alkotnak,

amelyek a teljes fehérjelánc szintézisét követően lépnek csak működésbe (4.3. ábra).

Gyakorlatilag egy „izolációs kamrába” kerül a fehérje, amely megakadályozza aggregá-

cióját és kedvező feltételeket teremt a folding újbóli megkísérléséhez. Működésük során

a hősokk-fehérjék ATP-t használnak fel, hogy helyes konformációba tekerjék a fehérje-

láncokat.

Ugyan most csak két hősokk fehérjéről szóltunk, azt meg kell említenünk, hogy a

különböző sejtszervecskékben számtalan ilyen fehérje található és vesz részt a fehérjék

megfelelő térszerkezetének kialakításában.

4.3. ábra. A hsp60 család szerkezeti felépítése és működése

Jogosan merül fel bennünk a kérdés, hogyan ismerik fel, választják ki a hősokk

fehérjék a helytelen térszerkezettel rendelkező fehérjéket?

A tökéletlen folding miatt a részlegesen, vagy teljesen feltekeredni képtelen fehérjék

esetében hidrofób felület marad, ehhez a hősokk fehérje köt. Egyfelől megakadályozza

az aggregációját, másfelől segíti a refoldingot.

A fehérjék előtt foldingjukat illetően tehát 4 különböző út állhat:1. kapásból kialakul

a megfelelő térszerkezet; 2. hősokk fehérjék segítségével, refoldingot követően alakul ki

a helyes térszerkezet; 3. nem alakul ki a megfelelő térszerkezet és a sejt lebontja; 4.

aggregálódik (amennyiben ennek mértéke bizonyos határt átlép, az a sejt pusztulását

okozhatja) (4.4. ábra).



aggregáció

OK Refolding Lebontás

OK

4.4. ábra. Fehérjeminőségi kontroll

Az első két lehetséges útvonalról már röviden szóltunk, ezt követően vizsgáljuk meg

a sérült, nem megfelelő módon feltekert vagy már szükségtelenné vált fehérjék

lebontását.

4.2. Sérült fehérjék proteolízise

A folyamat a fehérjék felületén rendellenesen elhelyezkedő hidrofób rész(ek) felisme-

résével kezdődik, majd a komplex proteolítikus rendszerhez, a proteaszómához történő

szállítással folytatódik, ahol legvégül rövid peptidekre történő bontásukkal fejeződik be.

4.2.1. Proteaszóma

A sejtek meglehetősen gyorsan igyekeznek megszabadulni a transzlációs, illetve folding

hulladékfehérjéktől. Az újonnan szintetizált fehérjék mintegy 1/3-át lebontásra ítéli a

fehérjeminőségi kontroll.

A fehérjék számára a végállomást egy ATP-dependens proteázkomplex, a protea-

szóma jelenti, amely a sejt fehérjéinek mintegy 1 %-át alkotja. A proteaszóma számos

kópiában megtalálható a citoszolban és a nukleuszban is. Ezen kívül endoplazmás reti-

kulumba irányított fehérjéket is bont. Amennyiben az endoplazmás retikulum fehér-

jéinek foldingja, illetve összeszerelése sikertelen, érzékeli egy endoplazmás retikulum

lumenében található minőségellenőrző rendszer. A minőségi kontrollon megbukott

fehérjék retrotranszlokációra kerülnek és a citoszolban található proteaszómákon

kerülnek lebontásra.

4.2.1.1. A proteaszóma felépítése

Minden proteaszóma két fő szerkezeti elemből, egy üreges csőből és a hozzá kapcsolódó

sapkából áll. Az üreges cső a 20S magi proteaszóma. Több fehérje alegységből épül fel,

amelyek 4 heptamerikus gyűrűt alkotnak (4.5. ábra). Alegységeinek egy része különböző

proteáz, amelyek aktív helye a cső belseje felé néz. A cső mindkét vége egy nagy

fehérjekomplex-szel a 19S sapkával asszociál. A 19S sapka hozzávetőlegesen 20 külön-

böző polipeptidből áll. Ebből 6 ATP hidrolízisére képes, a cső végénél ezek az ATP-ázok

kitekerik a fehérjéket és a cső belsejébe juttatják, ahol lezajlik proteolízisük. A protea-

szóma kritikus sajátsága és egyben komplexitásának oka, hogy egy sima proteázzal

ellentétben az első peptidkötés után is megkötve tartja a fehérjét és csak akkor engedi el,

ha már apró darabokra hasogatta. A 19S sapka, mint egy szabályozott kapu működik,

eldönti, hogy beengedje-e a proteolítikus bendőbe a fehérjét. Szintén ez a szerkezeti

elem felel a célfehérjék proteaszómához kötéséért.



4.5. ábra. A proteaszóma felépítése

4.2.2. A „halál csókja” – Ubikvitináció

Kevés kivételtől eltekintve a proteaszóma olyan fehérjéket köt, majd hasít, amelyek egy

speciális jellel rendelkeznek. A „halál csókja” egy 76 aminosavból álló polipeptid, az

ubikvitin (általában több kópiában), kovalensen kötődik. A sejtben mind szabad formá-

ban, mind fehérjéhez kötötten előfordul. A fehérjéhez kapcsolt ubikvitinláncnak többféle

jelentése is lehet, attól függően, hogy hány ubikvitinmolekula és milyen módon kap-

csolódik össze (4.6. ábra).

4.6. ábra. A fehérjéhez kapcsolt ubikvitinláncok különböző szignaling jelentése



A lebontásra ítélt fehérjéket egy kifinomult ubikvitinkonjugáló rendszer jelöli meg.

Az ubikvitint egy ATP-függő ubikvitin aktiváló enzim (E1) teszi alkalmassá a fehérjékhez

történő kötődésre, konjugálódásra. A konjugálódásra előkészített ubikvitin az E1-ről

szinte azonnal az E2 ubikvitin konjugáló enzimre kerül. Az E2 az E3 kiegészítő fehérjével

együtt látja el feladatát. Az E2-E3 komplexet ubikvitin-ligáznak is nevezik. Az E3 a cél-

fehérjén belül specifikus degradációs szignálokhoz kötődik, segítve az E2-t, hogy

poliubikvitin-láncot kössön a szubsztrátfehérje egy lizin oldalláncához. Az ubikvitin C-

terminálisa az őt megelőző ubikvitin egy lizinéhez kapcsolódik, így létrehozva a

poliubikvitin-láncot. Ezt a poliubikvitin-láncot ismeri majd fel a proteaszóma receptora

(4.7. ábra).

4.7. ábra. A fehérjék ubikvitinációja

Emlős sejtekben nagyjából 30 strukturálisan hasonló, de különböző E2, illetve több

száz különböző E3 található, amelyek mind specifikus E2-enzimekhez kapcsolódnak. A

sejtekben tehát több hasonlóan szervezett, de különböző, specifikus ubikvitin-proteo-

szóma útvonal található. Ezeknek közös a kiindulópontja (E1-enzim) és a végállomása

(proteaszóma).

A különböző ubikvitin-ligázok különböző degradációs szignálokat ismernek fel.

Degradációs szignál lehet:

– denaturált,

– téves térszerkezetű fehérje,

– oxidált aminosav(ak),

– módosult (károsodott) aminosav(ak).



Normálisan ezek a szignálok a fehérje belsejében helyezkednek el, így nem

jelentenek „veszélyt” a megfelelően feltekert fehérjék számára. Felmerül a kérdés, hogy

mi a helyzet a készülő/félkész fehérjékkel, amelyek így még a felszínükön degradációs

szignálokat tartalmaznak? Úgy tűnik, hogy ezek igen gyakran az ubikvitin-proteaszóma

rendszerbe kerülnek és lebontódnak.

4.2.3. Számos fehérje irányított lebontás révén szabályozott

Az ubikvitin-proteaszóma rendszer lehetőséget ad a rövid féléletidejű fehérjék élet-

idejének szabályozására is. Egyes fehérjék mindig rövid életűek, míg mások életideje

függ a sejt állapotától. Bizonyos metabolikus állapotban stabilak, míg egy másikban

rövid életidejűek. Ez utóbbiakra jó példát szolgáltatnak a mitotikus ciklinek, amelyek

stabilak egészen a mitózis végéig.

Felmerül a kérdés, hogyan kontrollált a fehérjék szabályozott lebontása?

Egyfelől lehetőség van az ubikvitin-ligáz szabályozására bármelyik korábban

ismertetett módon: 1. foszforiláció által, 2. allosztétikus ligand által, 3. fehérjemolekula

által (4.8. ábra).

4.8. ábra. Az ubikvitin-ligáz szabályozása

Másfelől a folyamat szabályozható a degradációs szignálon keresztül. Intracelluláris

vagy környezeti hatásra degradációs szignál keletkezhet a molekulán belül 1. foszfori-

lációval, 2. de/maszkoló fehérje, fehérjealegység disszociációja révén, 3. proteolízissel

(4.9. ábra).



4.9. ábra. Degradációs szignálok kialakulása


5. A génexpresszió szabályozása

Az előző fejezetek során megvizsgáltuk, miképpen lehet a már elkészült fehérje

aktivitását, illetve annak élettartamát befolyásolni. Tekintve, hogy a fehérjeszintézis

meglehetősen nagy energiaigénnyel bír, mindenképpen célszerű az adott fehérje iránti

igénynek megfelelően, már korábban szabályozni a gének átírását. Így mind az RNS

szintézise (transzkripció), mind az azt követő érési folyamatok, a fehérje szintézise,

illetve az azt követő érési folyamatok elkerülhetőek, megspórolhatóak (5.1. ábra).

Természetesen ez a szabályozási mód jóval hosszabb átfutási idővel rendelkezik, ebben

az esetben órák, napok alatt lehetséges az egyes folyamatok aktivitásába beavatkozni.

5.1. ábra. A molekuláris biológia centrális dogmája

A molekuláris biológia centrális dogmája (5.1. ábra) értelmében (néhány RNS-vírus

kivételével) minden fehérjeszerkezetre vonatkozó információ, illetve azok kifejező-

désének körülményei a sejt DNS-állománya által meghatározott. Természetesen néhány

fontos pontosítást, körülményt figyelembe kell vennünk:

Az RNS a nukleuszból történő kilépés előtt érik, illetve a splicing merőben megvál-

toztathatja az információ jelentését.

5.1. Génexpresszió, a gén kifejeződése

Egy bakteriális DNS-állomány általában néhány millió bázispárból (bp) áll. A mi emberi

genomunk mintegy 3*109 bp-t számlál. Bár igen jelentős tudományos siker volt a humán

genom szekvenciájának megismerése, a nukleotid sorrend önmagában értelmetlen

adathalmaz. A nukleotid szekvenciák ismerete nem tesz minket képessé arra, hogy

pusztán rájuk alapozva létrehozzunk egy élőlényt, ahogy angol szavak tömkelege sem

tesz képessé minket arra, hogy pusztán rájuk alapozva rekonstruáljuk Shakespeare

bármely művét. Hiszen teljes joggal tehetjük fel a következő kérdések bármelyikét:

Mikor, milyen körülmények között készül az adott gén terméke és ha elkészült mit tesz?

A következő fejezetben szeretnénk tisztázni a génexpresszió szabályozásának legfon-

tosabb szabályait, illetve mechanizmusát. Mindazokat a szabályokat, amelyek alapján a

gének egy alcsoportja szelektíven kifejeződik az egyes sejtekben.



5.1.1. Sejtdifferenciáció

A különböző sejttípusok (pl. emlős neuron, hámsejt…) mind szerkezetileg, mind funkcio-

nálisan annyira különböznek, hogy nehéz elképzelni, hogy ugyanazt a genomot tartal-

mazzák. Ezért, valamint amiatt, hogy a sejtdifferenciáció gyakran irreverzibilis, a

biológusok kezdetben azt hitték, hogy a differenciálódás során a gének szelektíven

elveszhetnek a sejtből. Ma már tudjuk, hogy a sejtdifferenciáció a génexpresszió

megváltozását jelenti, nem pedig a nukleotidszekvencia megváltozását. A háttérben

tehát nem a különböző DNS, hanem a különböző RNS, illetve fehérjeállomány áll.

Ez utóbbi kijelentést kísérleti bizonyítékkal is alátámasztották.1958-ban, John

Gurdon és munkatársai, az Oxfordi Egyetem kutatója, afrikai karmosbékán (Xenopus

laevis) végzett kísérleteik során egy teljesen differenciálódott békasejtmagot egy

sejtmagtalanított békapetesejtbe ültettek. A beültetett sejtmaggal a petéből egy teljesen

életképes, normális ebihal keletkezett. Tekintve, hogy az ebihal a differenciálódott sejtek

legkülönbözőbb együttesét tartalmazza, bizonyítottá vált, hogy a differenciálódott (és

később beültetett) sejt nem vesztette el egyetlen fontos géndarabját sem (5.2. ábra).

5.2. ábra. A sejtdifferenciáció a génexpresszió megváltozása, nem a nukleotidszekvenciáé.

Hasonló eredményeket értek el sárgarépa esetében, mikor sejttenyészetbe vitték az

izolált sejtet, majd abból egy sejtet kiválasztottak. A későbbiek során belőle teljes,

életképes növény növekedett. Emlősök esetében is számos esetben sikerült a fenti tételt

bizonyítani: birka (Dolly), kecske, sertés, egér, illetve madarak (liba) esetében is.

A fenti kijelentés alól néhány kivétel azért akad, így például DNS-átrendeződés

történik az egyed fejlődése során, pl. az immunrendszer változatosságának kialakulása

során.

A sejtdifferenciáció (génexpresszió) mibenléte talán jobban megérthető, ha szem-

ügyre vesszük a sejtek között fennálló különbségeket, azonosságokat.

5.1.1.1. Azonosságok és különbségek a sejtek között

1. Számos olyan folyamat van, ami közös az egyes sejtekben. Természetesen ezek közös

fehérjeállományt igényelnek, jelentenek. Ilyenek például: strukturális fehérjék kro-

moszómacsomagoló fehérjék, RNS-, DNS-polimerázok, DNS-reparáló enzimek, ribo-

szómális fehérjék, citoszkeletális fehérjék, központi metabolizmus fehérjéi.

5. A génexpresszió szabályozása 49


2. Ugyanakkor rendkívül nagy különbségeket is tapasztalhatunk, hiszen sok fehérje

csak az adott sejttípusban található meg, erre jó példaa csak vörösvértestekben kife-

jeződő hemoglobin.

3. Adott időben egy átlag humán sejt 10 000-20 000 gént fejez ki a megközelítőleg

25 000-ből. Ha megnézzük a különböző gének expressziós mintázatát, rendkívül

nagy variációt láthatunk a különböző sejttípusok között. A különbségek lehetnek

annyira élesek, mint a hemoglobin esetében, de a legtöbbször csak finom eltérések

fedezhetők fel.

4. Habár nagy az mRNS-beli különbség a különböző sejttípusok között, ezt jóval

meghaladja az eltérés, amely a fehérjék esetében tapasztalható. Elsősorban az

alternatív splicing, a poszttranszlációs módosulások tovább növelik a különbségeket.

Itt érdemes megjegyeznünk, hogy a legtöbb sejt képes külsődleges jelek hatására

megváltoztatni a génexpressziós mintázatát.

Például a májsejtek glukokortikoid hormonok hatására számos fehérje kifejeződését

fokozzák. A glukokortikoid hormonok éhezés, intenzív fizikai munka hatására kerülnek

elválasztásra és a májsejtek számára jelként szolgálnak, hogy fokozza a glukóz

aminosavakból, illetve más kis molsúlyú anyagokból történő előállítását. Ennek

eredményeképpen például megnövekszik a tirozin-aminotranszferáz szintje, amely a

tirozinból történő glukózelőállítás fontos kulcsenzime. Amennyiben a hormon szintje

lecsökken, vele együtt ezen fehérjék kifejeződése, szintje is csökken.

Más típusú sejtek máshogy reagálnak a glukokortikoid stimulusra. Példának okáért a

zsírsejtekben glukokortikoid hatására lecsökken a tirozin-aminotranszferáz szintje, míg

más sejtek sehogy sem reagálnak.

A sejtdifferenciáció egyik általános sajátsága, hogy a különböző sejttípusok máshogy

reagálnak az extracelluláris szignálokra. Ezzel, megadva az alapot az extracelluláris

szignálok kiváltotta szabályozásra. A génexpressziós mintázatnak azonban számos olyan

jellemzője van, amely nem változik meg és ezáltal az egyes sejttípusok számára állandó,

megkülönböztető karaktert biztosít.

5.1.2. A génexpresszió szabályozásának szintjei

A génexpresszió a DNS-től induló, RNS-en keresztül menő, fehérjékig tartó útvonala

során számos ponton szabályozható. Röviden tekintsük át milyen szabályozási szintek-

ről beszélhetünk (5.3. ábra).

1. Transzkripciós kontroll: Mikor és milyen gyakran íródik át mRNS-re az adott

gén?

2. RNS-processziós kontroll: Az adott mRNS hogyan érik?

3. RNS-transzport kontroll: Melyik érett, komplett RNS exportálódik a sejtmagból

és a citoszólban hol lokalizálódik?

4. Transzlációs kontroll: A citoszólban melyik mRNS fog átíródni fehérjére?



5. RNS-degradációs kontroll: Szelektíven destabilizálódó mRNS, amelyről nem

készül fehérjelánc.

6. Fehérjeaktivációs kontroll: Szelektíven aktiválódó, deaktiválódó, degradálódó,

kompartmentalizálódó fehérjék.

5.3. ábra. A génkifejeződés szabályozásának szintjei

A legtöbb gén esetében a transzkripciós kontroll kiemelkedően fontos. Ez könnyen

belátható, ha belegondolunk, ez az egyetlen lehetőség, hogy a sejt ne gyártson felesleges

köztitermékeket (5.3. ábra). Mindenképpen a szabályozás egy gazdaságos módjának

nevezhetjük, ellenben korántsem a leggyorsabbnak, hiszen a további öt ponton is át kell

jutnia a génnek, majd a fehérjének. A 3. fejezetben ismertetett fehérjeaktivációs kontroll

ettől jóval gyorsabb beavatkozásra is lehetőséget ad.

A következő fejezetben megtárgyaljuk azon szabályozó DNS- és fehérjeelemeket,

amelyek segítségével a transzkripció befolyásolható.

5.1.3. A génszabályozó fehérjék DNS-kötő részei

Hogy dönti el a sejt, hogy több ezer génje közül melyiket írja át?

Az átírni kívánt génszakasz közelében található egy DNS-regulációs szakasz. Ezek

között vannak egészen egyszerűek, mint egy külső szignál által bekapcsolt kapcsoló és

egész bonyolultak, mint egy kis mikroprocesszor, amelyek többféle szignált vesznek,

kombinálnak és be- vagy kikapcsolják a szomszédos gént.

Mindkét fajta kapcsoló alkalmatosság két fő szerkezeti egységből épül fel. Egy rövid

irányító DNS-szakaszból és egy (vagy több) génregulációs fehérjéből, melyek az

előbbiekhez kötődnek.

A λ-represszor volt az elsőként leírásra került ilyen DNS-kötő, transzkripciós

szabályozófehérje. Letompítja a virális géneket, a vírus alszik, de szaporodik.



A fehérjével interakcióra képes DNS-részletek azonosítása 4 lépésben történhet meg:

1. fehérjeizolálás;

2. specifikus kötődés létrehozása (bizonyítása);

3. a fehérjével kötődő DNS szekvenálása;

4. DNS-lenyomatolás.

Természetesen adódik a kérdés, hogy mi módon ismerik fel a fehérjék a jellegzetes

DNS-szekvenciákat? Mi hordozza számukra a kötődéshez szükséges információt?

Tekintve, hogy a DNS-ben tárolt információt a bázissorrend jelenti, az első elképzelés

szerint a fehérjék a kettősszálú DNS-ben a bázisok közötti H-hidakhoz férkőznének és ily

módon ismernék fel a jellegzetes részleteket. Ekkor azonban fel kellene, hogy nyíljék a

kettősszálú DNS-lánc.

Jelenleg már ismeretes, hogy a DNS-t felismerő, azokhoz specifikusan kötő

fehérjék a DNS külső felszínét ismerik fel. Így nem szükséges, hogy felnyíljék a DNS-

kettősszál. Gondoljunk csak bele: a DNS-ben található mindegyik bázispár éle a DNS-

kettőshélix felületén van. Így a felületen a bázisoknak megfelelően különböző funkciós

csoportok vannak: H-kötés donorok, H-kötés akceptorok, illetve hidrofób csoportok (5.4.

ábra). Ezek a csoportok pedig a bázissorrendnek megfelelően szabályosan váltakoznak.

Így tulajdonképpen a DNS felülete is kellő információval szolgál (ha nem is annyira

specifikusan, mint a bázisok maguk) a DNS-kötő fehérjék számára a kötődés pontos

helyéről (5.4. ábra).

5.4. ábra. A DNS-kötő fehérjék kapcsolódási helye a DNS-molekula külső felszínén

A DNS-ben a párokat alkotó bázisok és a hozzájuk tartozó cukoregységek között

létrejövő glikozidos kötések nem pontosan egymással szemben helyezkednek el. Az

egyik oldalon 180o-nál nagyobb, a másik oldalon ennél kisebb szöget zárnak be



egymással. A kettőshélix külső részét képező dezoxiribóz-foszfát váz csavarulatai között

elhelyezkedő, szintén helikális árok ennek megfelelően torzul. Azon az oldalon, ahol a

bezárt szög nagyobb, található a nagyobb helikális árok (nagyárok), ahol pedig kisebb,

ott a kisárok (5.5. ábra).

5.5. ábra. A nagyárok és a kisárok értelmezése a glikozidos kötések egymással bezárt szögei alapján

A fehérjék számára csak a nagyárokban áll rendelkezésre elegendő információ, így a

DNS-kötő fehérjék minden esetben a DNS nagyárkába fekszenek be (5.4. ábra).

Ezeken kívül a hélixben foglalt DNS-szekvenciától függően torzul a hélix és ezek a

torzulások is információval szolgálnak a fehérjéknek a megfelelő szakasz felismeréséhez.

A DNS-ben szabályosan 36o a szögelfordulás. Ez azt jelenti, hogy 10 nukleotidpárra jut

egy 1 hélixfordulat. Az egymást követő sok AAAA azonban ezt torzítja és egy hajlítást

visz a DNS-be.

A DNS szerkezete flexibilis, sokszor a kötődő fehérjéhez illeszkedik, így még erő-

sebbé téve a kötődést. Az energianyereség (ami a deformálódásból, kötődésből szár-

mazik) nukleotidszekvencia-függő.

A „genetikai kapcsolók” fontos részei a 20 bp-nál rövidebb DNS-szekvenciák, ame-

lyeket a kötőhelyek felismernek. Több ezer ilyen DNS-szekvenciát azonosítottak, ame-

lyeket különböző génregulációs fehérjék, vagy génregulációs fehérjeszettek ismernek fel.

5.1.4. DNS-felismerő fehérjeszerkezeti egységek

A biológiában, a molekuláris felismerés két molekula felületeinek tökéletes illesz-

kedésén múlik (ilyen például az antigén-antitest illeszkedés, kapcsolat is). Egy további

igen kiváló példa a génregulációs fehérjék és a DNS között kialakuló kapcsolat. A

génregulációs fehérje felismeri a specifikus DNS-szakaszt, mivel a fehérje felülete



nagymértékben komplementer az adott régióban a kettős hélix speciális felületi

sajátságaival. A fehérje nagyszámú kapcsolódást alakít ki a DNS-sel hidrofób, ionos, H-

híd kötések révén. Ezek egyenként gyengék, de a kettő vagy több kapcsolódás erős

és specifikus kötődést eredményez (5.4. ábra).

A kapcsolódások mindegyike egyedi, mindegyik fehérje tartalmaz egy speciális DNS

kötő szakaszt – ezek rendszerint α-hélixet vagy β-redőt jelentenek.

A következőkben tekintsük át milyen DNS-t felismerő fehérjerészleteket, fehérje-

családokat ismerünk.

5.1.4.1. Hélix-turn-hélix részletek

Az elsőként leírt DNS-kötő fehérjecsalád. Eredetileg baktériumokban írták le, de

eukarióta sejtekben is előfordul. A családot több száz fehérje alkotja. Szerkezetüket

tekintve két α-hélixből és az őket összekötő rövid hajlatból állnak. A rövid hajlat a két

hélixet fix szögben tartja. A C-terminális a DNS-felismerő hélix, a nagyárokba ez köt be

(5.6. ábra). Ennek aminosav egységei minden fehérjében különböznek. A másik hélix

szerkezeti feladatokat lát el, irányban tartja, pozícionálja a felismerő hélixet.

5.6. ábra. A hélix-turn-hélix fehérjerészlet felépítése és kapcsolódása a DNS-hez

A hélix-turn-hélix szerkezeten kívül eső részek nagy szerkezeti különbséget

mutatnak a fehérjék között. Ezek révén mindegyik fehérje rá jellemző módon képes a

hélix-turn-hélix részletét a DNS-hez tartani. Az egyéb részek is képesek a DNS-sel

kapcsolatba lépni, mintegy finomra hangolva a DNS és a fehérje közötti kapcsolatot.

Igen gyakran dimer formában kötnek a DNS-hez. A dimerként való kötődés közös

tulajdonsága számos szekvencia specifikus DNS-kötő fehérjének. Ennek megfelelően a

DNS két oldala is hasonló, szimmetrikus szekvenciájú (5.7. ábra).



5.7. ábra. A szimmetrikus DNS-regulációs szekvencia és hozzá kötődő DNS-felismerő fehérje dimer

Ez az elrendeződés hozzájárul, hogy mindegyik monomer közel azonos kötéseket

alakítson ki, ezzel is megnövelve a kötési affinitást. Első megközelítésben a kötések

megkettőzésével a kapcsolódás szabadenergia tartalma is a duplájára nő, így az affinitási

együttható pedig a négyzetére.

5.1.4.1.1. Homeodoménfehérjecsalád

Homeotic Selector Genes. A gén (fehérje) családot eredetileg Drosophilában fedezték fel.

Később kiderült, hogy a magasabb rendű élőlényekben is kulcsszereppel bírnak. A

családhoz tartozó génekben bekövetkező mutációk eredményeképpen a légy egy

testrésze más testrésszé fejlődött (5.8. ábra).

5.8. ábra. A homeodomén fehérjecsalád tagjait kódoló géneket érintő mutációk következménye (Drosophila melanogaster)

A géncsalád nukleotidszekvenciáját meghatározták. Minden egyes tagja tartalmazott

egy homológiával bíró hatvan aminosavból álló részletet. Ezt nevezték el

homeodoménnek. A szekvenciarészlet a család meghatározója és névadója lett. A

homeodomén háromdimenziós struktúrája a bakteriális szabályozófehérjékhez hasonló

hélix-turn-hélix részleteket tartalmaz. Ez a megfigyelés bizonyítékul szolgál, hogy a

bakteriális esetben nyert eredmények fejlettebb esetben is relevánsak lehetnek.



A Drosophila genom (proteom) több mint 60 homeodomén fehérjét tartalmaz. A

gyümölcslegyeken kívül számos organizmusban írták le a család tagjainak jelenlétét, így

például élesztőben, különböző növényekben és az emberben is.

A bakteriális fehérjében a hélix-turn-hélix részlet különböző szerkezeti környe-

zetben található. Ezzel szemben a homeodomén család tagjaiban hasonlóak a különböző

hélix-turn-hélix részeket körülvevő szerkezeti elemek (ezek alkotják a homeodomén

fennmaradó részét). Így arra következtethetünk, hogy a hélix-turn-hélix részlet mindig

hasonlóan helyezkedik a DNS-hez. Egy drosophila és egy élesztő homeodomén család-

tagot összehasonlítva megállapították, hogy, bár csak mindössze 17 aminosav egyezett a

60-ból, a konformációjuk és a DNS-felismerés módja nagyon hasonlított egymásra.

5.1.4.2. DNS-kötő cink-ujj részletek

Míg a hélix-turn-hélix fehérjék kizárólag aminosav részekből épülnek fel, addig a cink-ujj

fehérjék egy vagy több strukturális szerepet betöltő cinket is tartalmaznak. Bár az

elnevezés azonos minden Zn-et tartalmazó DNS-kötő fehérje esetében, a név eredete az

elsőként felfedezett ujj alakú fehérjétől származik.

A később napvilágra került szerkezeti tanulmányok kimutatták, hogy több szerkezeti

csoportba lehet a család tagjait osztani. Jelen esetben ezek közül a két legfontosabbat

említjük meg:

1. Az elsőt az eukarióta rRNS expresszióját aktiváló fehérjében írták le. Szerkezete

rendkívül egyszerű, egy α-hélix és egy β-redő, amelyet egy Zn tart össze (5.9.

ábra). Ezek az egységek igen gyakran klasztereket alkotnak, így folyamatosan

kitöltve a nagyárkot (egyik DNS kötő -hélix a másik után) (5.9. ábra). Így egy

erős és specifikus fehérje-DNS kapcsolat alakulhat ki a bázisegységek folyamatos

ismétlődése révén. A szerveződés előnye, hogy az ismétlődések számának

változtatásával változtatható a kötődés erőssége, specifikussága is.

2. A Zn-ujjak másik családja az intracelluláris receptorokban található (lásd 6.

fejezet). Szerkezetük különbözik az előző csoportba tartozó fehérjékétől: két α-

hélix pakolódik össze Zn segítségével (hasonló a hélix-turn-hélix szerkezethez). A

hélix-turn-hélix szerkezethez hasonlóan dimereket képez, amely lehetővé teszi,

hogy az egyik α-hélix a nagyárokba feküdjön.



5.9. ábra. A cink-ujj fehérjerészletek első csoportjának szerkezeti felépítése, illetve a klaszterképzés

Habár különböző szerkezetűek az imént tárgyalt fehérjék, közös vonásuk, hogy Zn-t

használnak szerkezeti elemként, illetve egy α-hélix révén ismerik fel a nagyárokban

található információt (szekvenciát).

5.1.4.3. β-redő

Az eddig ismertetésre került DNS-kötő fehérjékben minden esetben az α-hélix szolgált

felismerő részletként. A génregulációs fehérjék egy csoportjában β-redő részletek fek-

szenek a DNS nagyárkába. A kétszálú β-redő szerkezetről az aminosav oldalláncok a DNS

irányába lógnak. A felismerés az adott aminosavtól függ, amelyek a β-redő adott részét

alkotják.

5.1.4.4. Leucin-cipzár

Sok génregulációs fehérje homodimer (feltehetően az erős specifikus kötés miatt). Gyakran a dimerizálódásért felelős rész más, mint a DNS-kötésért felelős rész. A leucin-cipzár ötvözi a két funkciót. A cipzár elnevezés a szerkezetéből fakad, mivel a két α-hélix, hidrofób kötései révén egy összecsavarodást hajt végre gyakran a leucinrészleteknél (5.10. ábra).



5.10. ábra. A leucin-cipzár fehérjerészlet szerkezete és kötődése a DNS-hez

Kevéssel a dimerizációs szakaszon túl egy y-t formálva szétválnak, hogy lehetővé

tegyék az oldalláncaiknak a nagyárokba kötődést. A dimerek úgy ülnek a DNS-en, mint a

ruhacsipesz a ruhaszárító kötélen (5.10. ábra). A lehetőségek sorát bővíti, hogy több

DNS-kötő fehérje, így a leucin-cipzár is heterodimereket is képes formálni. Így igen

változatos erősségű és specificitású DNS-felismerő fehérje (komplexek) jöhetnek létre.

Természetesen a heterodimerek variálódásának, promiszkuitásának, határa van, így el-

kerülhető a regulációs káosz. Hogy képződik-e két leucin-cipzár rész között hetero-

dimer, az dönti el, hogy a két α-hélix hidrofób felülete mennyire passzol egymáshoz. Ez

végső soron az aminosav sorrendtől függ. Így egy adott leucin-cipzár fehérje csak

viszonylag szűk leucin-cipzár partnerállományból válogathat az adott sejten belül.

A heterodimerizáció jó példa a kombinatorikus kontrollra, amikor nem egy külön-

álló, önálló fehérje, hanem különböző fehérjék kombinációja felügyeli a sejt folyamatait.

5.1.4.5. Hélix-loop-hélix részlet

Egy rövidebb és egy hosszabb α-hélix szakaszból és az őket összekötő hurokból áll. A

hurok flexibilitása lehetővé teszi, hogy az egyik hélix visszakanyarodjon és a másikkal

átellenben csomagolódjon. Az 5. 11. ábrán jól látható, hogy ez a duplahélix-szerkezet a

DNS-hez kapcsolódik, egy másik hélix-loop-hélix szerkezethez hasonlóan, mint a leucin-

cipzár.



5.11. ábra. A hélix-loop-hélix fehérjerészlet szerkezete és kapcsolódása a DNS-hez

A leucin-cipzárhoz hasonlóan képezhet homo- és heterodimereket. Sok hélix-loop-

hélix fehérje elveszti a DNS-hez kötő α-hélixét, ezek a csonka fehérjék teljes hosszúságú

hélix-loop-hélix fehérjékkel heterodimereket alkotnak, azonban a kötődés a DNS-hez

ebben az esetben lazább, mint a teljes hosszúságú fehérjék esetében. Ez tulajdonképpen

egy szabályozási lehetőség, mivel a csonka fehérje azáltal, hogy egy teljes fehérjéhez

kapcsolódik, megakadályozza azt, hogy egy másik teljes hosszúságú fehérjével

homodimerizálódjon és aktív legyen (5.12. ábra).

5.12. ábra. Hélix-loop-hélix fehérjerészlet aktivitásának szabályozása heterodimerizációval

Nyílván több olvasóban is felmerült a kérdés, hogy vajon melyik fehérjerészlet

melyik DNS-szekvenciát ismeri fel? A tárgyalt DNS-felismerő részletek szerkezeti

keretet biztosítanak, hogy az adott aminosavak adott DNS-szakaszokat ismerjenek fel.

De vajon van-e pontos fehérje-bázis megfeleltetés? Példának okáért a G-C párost

milyen aminosav ismeri fel? A válasz, hogy nincs, bár adott bázis-aminosavpárosítások

gyakoribbak, mint mások. 20 aminosavból kombinálódnak, több lehetőség is van, hogy



az adott szekvenciának megfelelő felületet kialakítsák. Talán a közeljövőben lehet majd

adott DNS-szekvenciát felismerő fehérjét tervezni. A probléma megoldása hihetetlen

távlatokat nyitna a molekuláris biotechnológia és a molekuláris biológiai terápia terén.

5.1.5. DNS-kötő fehérjék detektálása

A biokémiai szabályozások részletesebb megismeréséhez elengedhetetlen a DNS-kötő

fehérjék izolálása, szerkezetük megismerése. A továbbiakban néhány gyakran

használatos gyakorlati módszert ismertetünk a DNS-kötő fehérjék tisztítására.

1. Gél-mobility shift assay

Az első lépés a kérdéses DNS-szakasz klónozásos vagy kémiai úton történő

előállítása, majd radioaktív jelölése. Az így elkészített DNS-preparátumhoz adjuk

a sejtlizátumot, majd megfuttatjuk poliakrilamid gélen. Amennyiben a DNS-szál

fehérjét kötött, lassabban vándorol (5.13 ábra).

5.13. ábra. A gél mobility shift assay (electrophoretic mobility shift assay, EMSA) működési elve

2. DNS-affinitás kromatográfia

Ha a génregulációs fehérje által felismert DNS-szakasz ismert, egy porózus

mátrixhoz kötik a kémiai úton előállított kettősszálú DNS-t. Ez megköti,

gyakorlatilag „kiválogatja” a kötésre képes fehérjét. Ha a teljes genom



szekvenciája ismert, a fehérjerészlet aminosav szekvenciájából kiindulva

megkereshető a regulációs fehérje génje. Az RNS meghatározható, így klónozható.

3. A felismert DNS-szekvencia meghatározása

A génregulációs fehérjék egy része izolálható a megváltozott mutáns egyedekből,

például a homeodomén fehérjék génjeit is így sikerült fejlődési rendellenességgel

rendelkező Drosophilákból izolálni. Ezeket túltermeltetik, majd izolálják a

fehérjét. Rövid DNS-szakaszokkal párosítják (csak amelyiket szorosan köti); sok

ilyen kör után meghatározzák a DNS-szakasz szekvenciáját, a konszenzus-

szekvenciát. Adatbázisokkal vetik össze és megnézik, hogy melyik génben lehet

az adott szekvencia. A módszer hátránya, hogy nem teljesen megbízható; sok

szervezet termel hasonló génregulációs fehérjéket, amelyek közel azonos DNS-

szekvenciákat ismernek fel.

4. Kromatin-immunoprecipitációs technika

A DNS-hez kötött fehérjéket formaldehid segítségével kovalensen keresztkötik (a

DNS-sel), majd lizálják a sejteket. Az izolált DNS-t kis fragmentumokra szeletelik.

Ezt követően az adott génregulációs fehérje ellen termeltetett antitesttel

kihalásszák a DNS-fehérje komplexeket. Így azokat a DNS-részleteket

határozhatjuk meg, amelyekhez a sejtben a regulációs fehérje kötődik.

5.2. A genetikai kapcsolók munka közben

A genetikai kapcsolók szerkezetének megismerését követően itt az ideje, hogy végre

megismerjük működésüket. A megismerés legjobb eszköze, ha végignézünk egy egy-

szerűbb és egy valamivel komplikáltabb prokarióta génexpressziós szabályozást, majd a

bakteriális analógia segítségével áttérünk a jóval összetettebb eukarióta szabályozásra.

5.2.1. A triptofán-represszor, mint egyszerű génkapcsoló

Ha pusztán mennyiségi szempontból vizsgáljuk meg az Escherichia Coli genomját, illetve

proteomját, megállapíthatjuk, hogy azt 4,6 * 106 bp és 4 300 fehérje alkotja. Egy adott

időpontban azonban mindössze csak egy részük íródik át, készül el. A baktérium éle-

tében kiemelkedő szereppel bír a tápanyaghoz való hozzáférés (rendkívül sok hason-

lóságot mutatva jó néhány embertársunkkal). Számos gén kifejeződése a rendelkezésre

álló táplálékoktól függ. Erre igen jó példa a triptofán szintéziséhez szükséges 5 gén. A

bioszintetikus útvonal enzimeit kódoló gének egy operonba rendeződtek. Az operon

struktúrgének (fehérjéket kódoló gének) egy kisebb csoportjából áll, amelyek igen

gyakran egy bioszintetikus, metabolikus útvonal egymást követő lépéseinek kata-

líziséért felelős fehérjéket kódolnak (egyik gén a másik után), illetve az operon részét

képezi a gének szabályozásáért felelős DNS-szakasz (regulátor szakasz és promóter).

Mindezen gének egy promóterről íródnak át, egyetlen hosszú mRNS-t eredményezve

(5.14. ábra).



5.14. ábra. A triptofán operon elemei

Amennyiben a triptofán a baktérium számára készen rendelkezésére áll (mondjuk,

ha egy emlős belében található, amelyik megeszi a fehérjét tartalmazó táplálékot), a sejt

kikapcsolja a triptofán szintéziséhez szükséges enzimek génjeit.

A transzkripció iniciációja kiemelt fontosságú, hiszen a sejt ekkor dönti el, hogy

melyik fehérjét és milyen arányban (túlsúllyal) fejezze ki. A bakteriális RNS-polimeráz

egy több alegységes komplex. A komplex egyik tagja, a különálló, de a komplexhez

asszociáló alegység, a σ-faktor (5.15. ábra). A σ-faktornak kiemelt szerepe van abban,

hogy az RNS-polimeráz felismerje a DNS-en a transzkripció megkezdéséért felelős

szignált (azaz a promóter szekvenciát).

Az RNS-polimeráz csak lazán kötődik a DNS-hez, gyorsan végigszalad (csúszik) a

DNS-molekulán, majd ledisszociál róla. Ha azonban a polimeráz a promóter régióra

csúszik, amely tehát egy speciális DNS-szekvencia, amely kijelöli az RNS-polimeráz

számára, hogy itt kell az RNS-szintézist elkezdeni, akkor szorosan hozzáköt. A polimeráz

a σ-faktor segítségével ismeri fel a promótert. A faktor, az előző fejezetben részletezett

módon specifikus kötéseket alakít ki a DNS külső felszínén a bázisokkal. Ezt követően az

RNS-polimeráz felnyitja a DNS-kettőshélixet (5.15. ábra). Egy rövidke szakasz

kinyitásával megkezdődik az RNS szintézise. A kitekeredést a polimeráz és a DNS-lánc

komformációváltozása stabilizálja, a folyamat (a replikációval ellentétben) ATP-t nem

igényel.

Az első tíz nukleotid összekapcsolódása után az RNS-polimerázról leválik a σ-faktor

(5.15. ábra). A polomeráz konformációja megváltozik, ennek következtében a szintézis

sebessége megváltozik, beindul a gyors RNS-szintézis. Ez egészen a második szignálig, a

terminátor szekvenciáig tart, itt az RNS-polimeráz elengedi mind a DNS-t, mind a frissen

szintetizált RNS-t (5.15. ábra).



5.15. ábra. A transzkripció lépései (1.promóter felismerése a -faktor által, 2.a DNS-szál felnyitása, 3. RNS-szál szintézisének kezdete(iniciáció), 4. az első tíz nukleotid szintézise,5.

a -faktor leválása a komplexről, RNS-szintézis felgyorsul (elongáció), 6. a szintézis a terminátor régióig folyik, majd a kész RNS-szál leválik a komplexről, 7. a -faktor ismét

elfoglalja helyét az RNS-polimeráz komplexben)

A triptofán szintéziséért felelős gének promóterében található egy operátornak

nevezett szabályozó. Ez tulajdonképpen egy rövidke (jól definiált nukleotidsorrenddel

rendelkező), szabályozó DNS-szakasz, melyet egy génszabályozó fehérje, a triptofán-

represszor ismer fel. A triptofán-represszor, egy hélix-turn-hélix családba tartozó

fehérje (lásd előző fejezet). A promóter és az operátor szakaszok úgy helyezkednek el,

hogy ha a triptofán-represszor beköt az operátor szakaszhoz, az megakadályozza (az

átlapoló elhelyezkedés révén) az RNS-polimeráz bekötődését a promóterhez, így a

triptofánt szintetizáló enzimek nem tudnak átíródni (5.16. ábra).



5.16. ábra. A triptofán-represszor fehérje működése

A gén átíródását, a triptofán jelenlétének detektálását, igen ötletesen valósítja meg a

baktérium. Ahhoz, hogy a triptofán-represszor az operátorhoz kötődjék, két triptofánt

kell magának is kötnie. A triptofánok megkötése térszerkezet változást, egy hajlást ered-

ményez a hélix-turn-hélix szerkezetben, amely ezt követően már tökéletesen illik a DNS

nagyárkába (a promóterrel átlapoló) operátorrégiónál (5.17. ábra). A triptofán meg-

kötése nélkül a DNS-kötésre alkalmas részlet a fehérje belsejében marad, így nem képes

a DNS-kötésre a fehérje. Tulajdonképpen a triptofán-represszor egy allosztérikusan

szabályozott fehérje, amely esetében a regulátormolekula maga a triptofán. Így a

triptofán-represszor és operon egy egyszerű alkalmatosságot formál, amely a triptofán

jelenlététől függően be- vagy kikapcsolja a triptofán bioszintézisének enzimeit. Tekintve,

hogy a fehérje aktív, DNS-kötő formája, kikapcsolja a gént, a szabályozást negatív

kontrollnak, a fehérjét pedig transzkripciós vagy génrepresszor fehérjének nevezzük.

5.17. ábra. A triptofán-represszor fehérje szerkezetének és DNS-kötő képességének megváltozása a két bekötődő triptofánmolekula hatására



Néhány bakteriális promóter szekvencia csak alacsony hatásfokkal működik, mivel

az RNS-polimeráz csak alacsony hatásfokkal ismeri fel és/vagy az RNS-

polimeráznak nehézségei adódnak a DNS-kettős hélix felnyitásával és a

transzkripció megindításával.

Mindkét esetben, az alacsony hatásfokkal működő promóterek esetében is, elindul-

hat a transzkripció, amennyiben egy génregulációs fehérje kapcsolódik a promóter

közelébe a DNS-lánchoz és kapcsolatba lép az RNS-polimerázzal. Így a transzkripció

megindításának valószínűsége jelentős mértékben megnő. Tekintve, hogy ezen fehérjék

aktív DNS-kötő formája bekapcsolja a gént, a folyamatot pozitív kontrollnak, a fehérjéket

pedig transzkripciós vagy génaktivátor fehérjéknek nevezik.

Az esetek egy részében a génaktivátor fehérjék oly módon segítenek az RNS-poli-

meráz promóterhez kötődésében, hogy egy újabb kapcsolódó felületet biztosítanak a

polimeráznak. Más esetekben a polimeráz transzkripciós állapotba alakulását segítik elő

azáltal, hogy stabilizálják a DNS-kötő forma és a transzkripciós forma közti átmeneti

állapotot.

Ahogy a negatív kontroll (a transzkripciós represszor) esetében láttuk, úgy a pozitív

szabályozás esetében is a transzkripciós aktivátorfehérje képes egyszerű genetikai

kapcsolóként működni.

A pozitív kontrollra jó példát szolgáltat a bakteriális katabolit aktivátor fehérje

(catabolit activator protein: CAP). A CAP képessé teszi az E. colit arra, hogy alternatív

szénforrásokat használjon fel, ha az egyébként preferált szénforrása, a glukóz, nem áll

rendelkezésre (azáltal, hogy különböző géneket kapcsol be).

A glukózszint csökkenése elindítja az intracelluláris szignálmolekula, a cAMP

szintjének emelkedését, amely képes a CAP-vel történő összekapcsolódásra. A kapcsolat

létrejöttét követő térszerkezet-változásnak köszönhetően (allosztérikus reguláció) a

CAP alkalmassá válik, hogy a célpromóterek mellett specifikus DNS-szakaszokhoz

kössön, így bekapcsolva a megfelelő géneket. A kérdéses gén be- vagy kikapcsolása tehát

attól függ, hogy a cAMP szintje miként alakul a sejtben.

Sok esetben a represszorok és az aktivátorok felépítése hasonló. Pl.: a triptofán-

represszor és a CAP-aktivátor is hélix-turn-hélixrészletet tartalmaz és egy kis kofaktort

igényel a DNS-hez kötődéshez. Igazság szerint néhány bakteriális fehérje (CAP,

bakteriofág λ-represszor) mind aktivátorként, mind represszorként képes viselkedni

attól függően, hogy az általuk felismert DNS-szekvencia hogyan helyezkedik el a

promóterhez képest. Ha a fehérje kötőhely átlapol a promóterrel, a polimeráz nem tud

kötődni és a fehérje mint represszor hat. Ha azonban a fehérje a promóterszekvencia

mellett kötődik, mint egy jelzőbója segíti az RNS-polimeráz bekötődését, a transzkripció

megindulását. Ebben az esetben mint aktívátor viselkedik.

5.2.2. A lac-operon: transzkripciós aktiválás/represszálás

A pozitív és a negatív szabályozás kombinációjára jó példát szolgáltat a CAP- és lac-

represszor által megvalósított szabályozás, mely révén a baktérium alkalmazkodni tud,

képessé válik glukóz hiányában más alternatív szén- és energiaforrások (pl. laktóz)



felhasználására. A laktóz sejtbe juttatásáért, illetve lebontásáért felelős géneket és

szabályozó részleteket a lac-operon tartalmazza. Ahogy korábban láttuk, a glukózszint

csökkenésével megemelkedő cAMP-szint emelkedésével és CAP-fehérjével való

kapcsolat révén a CAP képessé válik a DNS-hez való kötődésre és elősegíti az alternatív

szén/energiaforrások (pl.: laktóz) felhasználását célzó fehérjék átírását. Az azonban

komoly veszteséggel járna, ha a CAP laktóz távollétében is kifejezné a fehérjéket, ezért a

lac-represszor ezeket, laktóz távollétében, kikapcsolja. Így tulajdonképpen két szignál

integrálása történik meg és a lac-operon magas szinten csak akkor expresszált ha:

1. nincs jelen glukóz, 2. és jelen van laktóz.

Minden más esetben a gének ki vannak kapcsolva.

Nézzük meg, hogyan történik mindez a gyakorlatban. Laktóz adagolására a kevés

jelenlévő laktóz-permeázon keresztül kis mennyiségű laktóz képes a sejtbe jutni és ott a

kevés -galaktozidáz segítségével a laktóz egy izomerévé, allolaktózzá alakul. Az allo-

laktóz fog tulajdonképpen induktorként viselkedni, mivel hozzáköt a lac-represszorhoz,

amely allolaktózt nem kötő formája képes a DNS-hez kötni, a lac-promóterrel átlapoló

DNS-szekvenciához. Az allolaktóz bekötődése térszerkezet-változást eredményez a lac-

represszor fehérjében, amelynek hatására az már nem képes a DNS-hez kötődni, így

felszabadul a gátlás alól a lac-operon (5.18. ábra).

Tekintve, hogy a lac-operon promótere egy gyenge promóter, a megfelelő mértékű

génexpresszióhoz szükséges a glukóz távollétében megemelkedő cAMP-szint hatására

bekötődő CAP DNS-hez kötése. A kikapcsolás természetesen éppen fordított módon

történik meg: a glukóz adagolása csökkenti a sejtben a cAMP-szintjét, mivel így a cAMP

nem tud a CAP-hoz kötődni, leválik a DNS-ről, ennek eredménye a gén kikapcsolása lesz

(5.18. ábra).



5.18. ábra. A lac-operon kettős szabályozása a lac-represszor fehérje, illetve a CAP–cAMP-komplex által

5.3. Az eukarióta génexpresszió szabályozása

A bakteriális génexpresszió szabályozása, ahogy láttuk, viszonylag egyszerű, de korláto-

zásokat tartalmaz. A promóter szomszédságában egész egyszerűen nincs elegendő hely,

hogy elég legyen a nagyobb számú DNS-regulációs szekvencia számára. Éppen ezen

korlátok miatt a szignálok tucatjainak kezelésére alkalmatlan.

Vajon, mi módon képesek az eukarióta sejtek ezen korlátokon felülemelkedni?

Az eukarióta transzkripció szabályozása három fő részletben is különbözik a bak-

teriálistól:

1. Olyan génregulációs fehérjéket alkalmaznak, amelyek képesek akár a több ezer

bázispárnyira lévő promóter befolyásolására, így tehát egy promótert

gyakorlatilag számtalan DNS-szakasz regulálhat a teljes DNS-állományon belül.

2. Az eukarióta RNS-polimeráz-II (amely az összes fehérjét kódoló gén transzkrip-

ciójáért felelős) önmaga nem képes elindítani a transzkripciót. Fehérjék egy

csoportjának közreműködését igényli, melyeket általános transzkripciós fakto-

roknak nevezünk. Ezen fehérjék transzkripciós iniciációs komplexszé történő



összeszerelése a transzkripció megindulásának (iniciáció) előfeltétele. Ezek

teljesen általános (konzervált) fehérjék minden egyes sejtben azonosak, amely-

ben RNS-polimeráz-II van, nem specifikusak, mint a génregulációs fehérjék. Ezen

fehérjék összeszerelésének befolyásolása egy jó szabályozási lehetőség, sok euka-

rióta génregulációs fehérje a különböző regulációs szignálok eredményeképpen

ezen a ponton fejti ki hatását.

3. Az eukarióta DNS kromatinba csomagolódása miatt a bakteriális szabályozási

lehetőségek nem alkalmazhatók ebben az esetben.

5.3.1. Eukarióta génregulációs fehérjék

Az eukarióta sejtek is, a prokariótákhoz hasonlóan, génregulációs fehérjéket alkal-

maznak, melyek közt aktivátorok és represszorok egyaránt megtalálhatók.

A DNS-szakaszt, melyhez a regulációs fehérjék kötnek, enhancereknek nevezzük. Az

elnevezés alapja az a megfigyelés volt, mely szerint ezek jelentős mértékben megnövelik

a transzkripciót.

1979-ben került leírásra az a megfigyelés, mely szerint az aktivátorfehérje a

promótertől akár több ezer bp távolságra is köthet, illetve attól függetlenül képes

génexpressziót befolyásoló hatását kifejteni, hogy a génhez képest upstream vagy

downstream kötődik. Természetesen adódik a kérdés, hogyan képesek így a promóterrel

kommunikálni? A leggyakrabban alkalmazott módszer, hogy a DNS az enhancer és a

promóter között egy hurkot formál, így az enhancerhez kapcsolódott aktívátorfehérjék

és a promóterhez kapcsolódott fehérjék (RNS-polimeráz, általános transzkripciós

faktorok) egymással kapcsolatot teremthessenek.

A DNS mint egy kötél viselkedik, segítve a két fehérjecsoportosulás találkozását

(5.19. ábra). Baktériumokban is ismeretes ez a módszer, azonban sokkal ritkábban és

rövidebb DNS-szakaszokkal valósul meg.

5.19. ábra. A DNS hurokképzése az enhancer- és a promóterrégiók között lehetővé teszi egymástól távoli szekvenciák egymásra hatását



5.3.2. Eukarióta DNS-reguláló szekvenciák

Tekintve, hogy az eukarióta génregulációs fehérjék a promótertől igen távol a DNS-hez

kötődve befolyásolni képesek a transzkripciót, a transzkripciót befolyásoló génregu-

lációs régió igen nagy lehet (5.20. ábra). A kiterjedt génregulációs szakaszok miatt benne

foglaltatik a promóter (a hozzá kapcsolódó fehérjék: RNS-polimeráz, általános transz-

kripciós faktor), illetve a regulációs szekvenciák (a hozzá kapcsolódó fehérjék: regulá-

ciós fehérjék) (5.20. ábra).

A magasabb szintű eukarióta sejtekben akár 50 000 bp távolságra is lehet a

regulációs szekvencia, illetve fehérje a promótertől. A köztük lévő flexibilis DNS-szakasz

segíti a promóter és enhancer összehangolását (5.19. és 5.20. ábra). Szintén fontos

megemlítenünk, hogy az eukarióta DNS nukleoszómákba és kromatinba pakolódik,

ezáltal is lecsökkentve a távolságot a két DNS-szakasz (regulációs és promóter) között

(5.21. ábra).

A következőkben tekintsük át röviden a két nagyobb DNS-hez kötődő fehérjecsoport

sajátságait:

Általános transzkripciós faktorok

Nagy mennyiségben előforduló,

Kis változatosságot mutató fehérjék,

Ahol RNS-polimeráz II van.

Génregulációs fehérjék

Több ezer fajta, a 25 000 humán gén 5-10%-a

ilyet kódol, egyik génregulációs szakaszról a

másikra változnak, kis mennyiségben

(általában kevesebb, mint 0,01%-a a sejt teljes

fehérjeállományának).

A megfelelő DNS-szakaszt ismerik fel a

korábban tárgyalt fehérjerészletek

segítségével, illetve más DNS-felismerő

fehérjék felépítésében vesznek részt.

A génregulációs fehérjék egy organizmus egyes génjeit kapcsolják ki vagy be. Ahogy

korábban említésre került, a különböző sejttípusok a génregulációs fehérjék egyedi

összeállítását tartalmazzák. Így génexpressziós mintázatuk is egyedi, eltérő sajátosságot

adva az egyes sejttípusoknak.

Az eukarióta sejt minden egyes génje különbözőképpen regulálódik. Ez meg-

lehetősen nagy szabályozási diverzitást jelent. Éppen ezért igen nehéz általános érvényű

szabályokat felállítani a szabályozásukról, azonban a főbb irányvonalak megállapít-

hatóak.



5.20. ábra. Az eukarióta gén szabályozási régiójának elemei

5.3.3. Génaktivátor fehérjék és a transzkripció

A legtöbb génregulációs fehérje moduláris felépítéssel rendelkezik. Két fő domén

különböztethető meg: a DNS-felismerő részlet (ezeket már korábban tárgyaltuk), illetve

az aktivációs domén. Ez utóbbi felelős a transzkripció gyorsításáért. A moduláris

szerkezet leírása hibridfehérjék segítségével történt, melyekben az egyik fehérje DNS-

felismerő részét fuzionáltatták a másik fehérje aktivációs részével.

Lássuk, hogyan működhetnek a génaktivátor fehérjék! Tulajdonképpen két fő hatásmódozatot különböztethetünk meg:

1. Vonzzák, pozícionálják, módosítják az általános transzkripciós faktorokat és az

RNS-polimeráz II-t a promóteren. Mindezek hatására elindulhat a transzkripció

(5.20. ábra);

2. Ezen direkt hatáson kívül megváltoztathatják a kromatinszerkezetet a promóter

körül (5.21. ábra).

1. A direkt hatás két módon érvényesülhet: Az RNS-polimeráz lépésenként állhat

össze aktív holoenzimmé, in vitro leírt sorrendben, de ismeretesek olyan sejtek

is, amelyekben már összeállt formában kerül a promóterre az RNS-polimeráz

holokomplex. Az RNS-polimeráz holoenzim az általános transzkripciós faktoro-

kon és az RNS-polimerázon kívül egy 20 fehérjéből álló, mediátornak is nevezett

komplexet is tartalmaz.



Számos aktivátor fehérje kölcsönhat a holoenzim-komplexszel, energetikailag

(még) kedvezőbbé téve a promóterhez kötődést. Tulajdonképpen az egész

folyamat úgy fogható fel, mintha az aktivátorok a holoenzimet vonzanák,

pozícionálnák a promóterhez (5.20. ábra).

Ezt az elképzelést természetesen kísérleti úton is bizonyították.

Egy szekvencia specifikus (DNS-felismerő) részletet fúzionáltattak közvetlenül a

mediátor egyik komponenséhez (teljes transzkripciós RNS-polimeráz-komplex). Ez a

hibridfehérje, amelyből az aktivációs domén hiányzott, jelentős mértékben elősegítette a

transzkripció megkezdését, ha a DNS-szekvencia, amelyhez kötődött, a promóter-

szekvencia szomszédságában volt. Habár a holoenzim-komplex promóterhez irányítása

látványos, egyszerű módja az aktiválás folyamatának szemléltetésére, valószínűleg az

aktivátorok működése ennél jóval bonyolultabb. Ilyen lehet egyes esetekben az általános

transzkripciós faktorok lépésenkénti összeszerelése a promóteren. Más esetekben a

megkötődést követő átrendeződésük szükséges. A legtöbb holoenzim-komplexből

hiányoznak az általános transzkripciós faktorok (elsősorban a TFIID és a TFIIA),

amelyeknek a promóteren kell külön beépülniük.

Ezen lépések bármelyike egy-egy lassú (sebesség meghatározó) lépés lehet a

transzkripció megkezdése során. Az aktivátorok hozzájárulhatnak a teljes forma

kialakításához, lehetőséget adva a szabályozásra.

Számos aktivációs fehérjéről kimutatták, hogy kapcsolatba lép általános

transzkripciós faktorokkal és számos direkt módon is segíti a promóteren történő

összeszerelésüket.

2. A lokális kromatinszerkezet megváltoztatása

A regulációs és a promóter részek kromatinszerkezetének megváltoztatása révén is

kitűnően befolyásolható a génexpresszió.

A leggyakoribb két lokális kromatinszerkezet-változás: a nukleoszóma-remodellezés

és a kovalens hisztonmódosítás (5.21. és 5.22. ábra). Számos génszabályozó fehérje hasz-

nálja mindkét módszert, az enzimek két csoportjához, a hiszton-acetiltranszferázhoz

(hiszton-acetilázt) és az ATP-dependens kromatin-remodellező komplexhez kötve és

ezáltal létrehozva aktív, funkcióképes formájukat (5.21. és 5.22. ábra).

Általánosságban elmondhatjuk, hogy a kromatinszerkezetben bekövetkező változás

nagyobb hozzáférhetőséget biztosít az alapjául szolgáló DNS-nek. Ez a jobb hozzáfér-

hetőség hozzájárul, hogy az általános transzkripciós faktorok és az RNS-polimeráz

holoenzim összeszerelődjön a promóteren és ahhoz, hogy további génregulációs fehér-

jék kapcsolódjanak a regulációs szakaszhoz.



5.21. ábra. Nukleoszóma-remodellezés

5.22. ábra. Kovalens hisztonmódosítás

Az általános transzkripciós faktorok láthatólag nem képesek a konvencionális

nukleoszómába pakolt promóteren összeállni. Ez a szoros, kompakt csomagolás lehet az

egyik oka, hogy alapesetben nem történik meg a transzkripció iniciációja. Szintén ez

biztosítja részben a leaky (szivárgó, lötyögős) transzkripció elkerülését. (A kromatin

azon formáját, amely transzkripciórezisztens hetereokromatinnak nevezzük.)

A hiszton acetiláció jellegzetes formája figyelhető meg a transzkripciósan aktív

kromatin esetében. Ez részben jobban hozzáférhetővé teszi, részben egy jellegzetes,

szignálszerű acetilációs mintázatot jelent. Ezt a mintázatot ismeri fel az egyik általános

transzkripciós faktor (TFIID) alegység. Így tehát a következő láncolat alakulhat ki,

amelynek eredményeképpen megindulhat a transzkripció:



Génregulációs fehérjék → aktiválják a hiszton-acetilázokat → közvetetten segítik az

általános transzkripciós faktorok összeszerelését a promóteren → transzkripció.

5.3.3.1. A génregulációs fehérjék szinergikusan dolgoznak

A génregulációs fehérjék több különböző lépést képesek a transzkripció inicializációja

végett befolyásolni. Amennyiben egyszerre több faktor hatása érvényesül a reakció-

sebesség megnövelése érdekében, a reakciósebesség növekménye nem csupán az egyes

hatások összege, hanem ennél jelentősebb. Példának tekinthetjük a következő esetet,

amikor A-faktor hatására 1-szeres energiagát-csökkentés következik be, melynek ered-

ménye 100-szoros reakciósebesség-növekedés. Amennyiben B-faktorral, melynek

ugyanolyan mértékű hatása van külön, mint az A-faktornak külön, egyszerre hatnak,

annak 2-szeres energiagát-csökkentés lesz az eredménye, amely 10 000-szeres reakció-

sebesség-növekedést fog eredményezni. Ez a szinergia a transzkripció megkezdését

illetően is érvényes, különös tekintettel arra, hogy a génaktivátor fehérjék számos lépést

befolyásolnak.

5.3.3.2. Eukarióta represszorok

Az eukarióta génregulációs fehérjék legtöbbje, több (néha egész sok) alegységből álló

komplexet alkotnak a DNS-en. Ezen alegységek különböző funkciókkal rendelkeznek. A

komplexek igen gyakran csak a megfelelő DNS-szekvencia jelenlétében állnak össze.

Néhány alaposan tanulmányozott esetben például két egymás iránt kis affinitást mutató

génregulációs fehérje kooperál, hogy hozzákössön egy DNS-szekvenciához. Önállóan

egyik fehérje sem rendelkezik elegendő affinitással az effektív DNS-hez kötődéshez. A

DNS-kötődést követően egy olyan felületet alkot a dimer, amelyet egy harmadik fehérje

ismer fel, amelyik egy aktivációs domént hordoz. Az így létrejött komplex már

elindíthatja a transzkripciót.

Mindezek alapján a következő általános megállapítást tehetjük: azok a fehérje-

fehérje kapcsolatok, amelyek az oldatban túl gyengének bizonyulnak, hogy a fehérje

összeállását eredményezzék, elegendőnek bizonyulnak a DNS felületén. A DNS ez

esetben mint egy kristálygóc vagy összeszerelési mag szerepel.

Egy adott génregulációs fehérje több regulációs komplexben is részt vehet. A fehérje

egyik esetben egy aktivátor része lehet, míg más esetben egy represszorban szerepelhet

(5.23. ábra). Így nem igazán lehet a különálló génregulációs fehérjéket aktivátornak vagy

represszornak nevezni. Ehelyett mint regulációs egységek szerepelnek, melyek végső

sorsa a különálló egységekből szerveződő komplexekben dől el. Ez a sors (össze-

szerelődés) a regulációs DNS-szekvenciától, illetve a sejtben éppen jelenlévő regulációs

fehérjéktől függ.

A DNS-hez nem kötő, de DNS-kötő regulációs fehérjékben részt vevő génregulációs

fehérjéket koaktivátoroknak, vagy korepresszoroknak nevezzük. Ugyanazon koaktivá-

torok vagy korepresszorok különböző DNS-kötő fehérjékre épülhetnek (5.23. ábra). A

koaktivátorok, korepresszorok különböző feladatokat láthatnak el: kromatin remodel-

lező komplexekkel, hiszton-módosító enzimekkel, RNS-polimeráz holoenzimekkel, álta-

lános transzkripciós faktorokkal kapcsolódhatnak.



5.23. ábra. A szabályozó fehérjeelemek összeszerelődése különböző funkciójú regulátorkomplexekké a DNS felületén

Néhány esetben a DNS-szekvencia, melyhez a génregulátor fehérjék kötődnek,

megváltoztatja a konformációjukat, ezáltal befolyásolva a következő transzkripciós

aktivitását.

Például, ha egyfajta DNS-szekvenciához kötődik egy szteroid humán receptor, akkor

az egy korepresszorral kapcsolódik és kikapcsolja a transzkripciót. Ha egy másik, kis-

mértékben különböző DNS-szekvenciához, akkor más konformációt felvéve egy koakti-

vátorhoz kapcsolódik és bekapcsolja a transzkripciót. Általában egy génregulációs

komplex szerveződését rövidke DNS-szakaszok vezérlik (5.23. ábra), azonban van arra

példa, hogy egy jóval kiterjedtebb DNS-fehérje komplex szerveződjék, melyet enhanszo-

szómának nevezünk. Az enhanszoszómák ismertetőjegyei az építőfehérjék (5.24. ábra),

amelyek egy jól definiált szögben hajlítják a DNS-t és ezáltal elősegítik a többi enhanszo-

szómafehérje beépülését. Tekintve, hogy az enhanszoszóma felépítéséhez számos fehér-

je szükségeltetik, ez biztosítja, hogy csak akkor fejeződik ki a gén, ha ezen fehérjék mind-

egyike jelen van a sejtben. Ez a felállás egyben magas fokú kombinációs kontrollra is

lehetőséget ad.

5.24. ábra. Az enhanszoszóma felépítése



5.3.3.3. Inzulátor DNS-szekvenciák

Bizonyára még mindenki emlékszik rá, hogy az eukarióta génkifejeződés szabályozása

során a regulációs fehérjék a promórhez képest mind upstream, mind downstream

beköthetnek az enhancer szekvenciához. Így egyértelműen adódik a kérdés, hogy mi

biztosítja azt, hogy ha egy génregulációs fehérje beköt a helyére, az a szomszédos gének

átíródását nem befolyásolja?

A legismertebb megoldás, amellyel az eukarióta sejt a probléma megoldása érde-

kében előállt, az inzulátor (határoló) elemek (5.25. ábra). Az inzulátor elemek DNS-

szakaszok, melyek specializálódott fehérjéket kötnek és két speciális tulajdonsággal

rendelkeznek: 1. pufferelik a géneket a heterokromatin represszáló hatásától; 2. képesek

az enhancerek blokkolására. Ahhoz, hogy erre képesek legyenek, a promóter és az

enhancer rész között kell lokalizálódniuk. Mindazonáltal az inzulátorok pontos műkö-

dési mechanizmusa jelenleg ismeretlen és könnyen elképzelhető, hogy a különböző

inzulátorok eltérő mechanizmusok révén fejtik ki hatásukat.

5.25. ábra. Az inzulátorszekvenciák elhelyezkedése és funkciója

5.4. Az X-kromoszóma inaktiválása nőkben

Az előző fejezetben láttuk, hogy a kromatinszerkezet befolyásolhatja a gén-

expressziót. Emlőssejtek esetében akár egy teljes kromoszóma minden egyes génjének

átírására is kiterjedhet.

A férfiak és a nők (többek között) a nemi kromoszómáikban térnek el egymástól. A

férfiak XY, a nők XX nemi kromoszómákkal rendelkeznek. A nőkben tehát kétszer annyi

kópia található az X-kromoszóma génjeiből, mint a férfiakban. Ez igen jelentős

különbséget eredményez, különösen akkor, ha figyelembe vesszük, hogy az X-

kromoszóma jóval nagyobb, több mint 1000 gént tartalmaz, mint a kevesebb mint 100

gént tartalmazó Y.

A férfiak és a nők között tehát jelentős különbség alakult ki az X-génen található

gének mennyiségében. Az emlősökben egy kompenzációs mechanizmus alakult ki, amely

révén a férfiakban és a nőkben az X-kromoszóma géntermékei között levő különbség

kiegyenlíthető.

Azok az esetek, ahol a mennyiségi kompenzációban mutáció következik be letálisak,

jól szemléltetve, hogy milyen fontos fenntartani a megfelelő nemi/autoszomális gén-

arányt, gén-termékarányt.

Lássuk csak, mi módon kerül megvalósításra a kompenzáció! A nők szomatikus

(testi) sejtjeiben az egyik X-kromoszóma transzkripciósan inaktiválódik. A transzkrip-

ciós lecsendesülésre a női embrió fejlődésének korai szakaszában kerül sor, amikor még

csak néhány ezer sejtből áll. Ekkor az X-kromoszómák egyike minden egyes testi sejtben



jelentős mértékben kondenzálódik – heterokromatin struktúrát vesz fel. A konden-

zálódott X-kromoszóma fénymikroszkóppal is jól látható az interfázisban lévő sejtekben.

Ezt a mikroszkóppal is jól látható, kondenzálódott kromoszómát Barr-testnek nevezték

el. Az X-inaktiválódásnak köszönhetően két X-kromoszóma létezhet egyszerre egyazon

sejtmagban ugyanazoknak (a szignáloknak kitéve) a transzkripciós regulátor fehér-

jéknek kitéve, mégis teljesen különböző mértékű génexpressziót mutatva.

Az, hogy az apai vagy az anyai X-kromoszóma inaktiválódik, teljesen random dől el.

Ha már egyszer az egyik inaktiválódott, akkor az, változatlan marad a sejt további

osztódása során is benne és utódaiban is, hűen megőrizve azt, DNS replikációkon és

mitozisokon keresztül.

Tekintve, hogy az X-inaktiválódás random megy végbe, amikor már néhány ezer

sejtből áll az embrió, minden egyes nő különböző sejtek mozaikja, melyek egyikében az

apai, másikében az anyai X-kromoszóma csendes, inaktiválódott. Ezen sejtek kisebb

klasztereket alkotnak a felnőttben, mivel a testvérsejtek egymás közelében maradnak

sejtosztódást követően a későbbi fejlődés során (5.26. ábra).



5.26. ábra. Az X-kromoszóma inaktiválódása (kondenzálódása) a női embrionális testi sejtekben

Erre kitűnő szemmel látható példát is találhatunk, hiszen a macskák esetében ez

okozza a vörös-fekete teknőspáncélszerű bundamintázatot a nőstény macskák esetében.

Az egyik X-kromoszómán található a gén, amely a vörös szőrért felelős. A másik X-

kromoszómán ugyanazon gén másik allélja, amelyik a fekete szőrzetért felelős. A ran-

dom X-inaktiváció miatt alakul ki az érdekes foltos szőrzetmintázat. A hím macskák vagy

teljesen vörösek, vagy teljesen feketék lesznek attól függően, hogy az anyjuktól melyik

színt kódoló X-kromoszómát örökölték. Habár az X-kromoszóma inaktiváció ezer és ezer

sejtosztódáson keresztül megtartott, nem mindig állandó. Nevezetesen visszafordítható

az ivarsejtek kialakulásakor, vagyis minden egyes haploid petesejt egy aktív X-

kromoszómát tartalmaz és képes az X-kromoszómához kötött termékek kifejezésére.

Hogyan következik be a transzkripciós inaktiválódás egy egész kromoszómán?

Az X-kromoszóma inaktiválódása az X-kromoszóma közepéről, egy pontról kiindulva

indul és terjed tova. Ezt a helyet X-inaktivációs központnak (XIC) nevezik. Ezt a

központot (106 bp-nyi DNS-szakasz) egy nagy szabályozó elemnek tekinthetjük, amely a



heterokromatin kiindulási magja és segíti annak tovaterjedését mindkét irányban a

teljes kromoszóma mentén (5.27. ábra). Az XIC-on belül kódolva található egy szokatlan

RNS-molekula: az X inaktivációs specifikus transzkript (XIST), amely kizárólag az

inaktivált X-kromoszómáról expresszálódik. Ezen RNS expressziója elengedhetetlen az

X-inaktivációhoz. Egy igen érdekes RNS-ről van szó, amely nem íródik át fehérjévé, a

sejtmagban marad és bebiztosítja az inaktív X-kromoszómát. Az XIST-RNS tovaterjedése

a kromoszómán jól korrelál a gének elcsendesülésével, jól mutatja, hogy az XIST-RNS

részt vesz a heterokromatin formálásában, valamint terjedésében (5.27. ábra).

5.27. ábra. Az X-kromoszóma inaktiválódásának mechanizmusa

X-kromoszóma heterokromatin számos sajátsággal rendelkezik, amelyek mindegyike

hozzájárul a kromoszóma transzkripciós csendességéhez. Ezek a XIST, a hiszton-2A, az

alacsony szinten acetilált H3-, H4-hisztonok és végül a specifikus helyen metilált H3-

hiszton és DNS.

Az X-kromoszómával kapcsolatos tudásunk még meglehetősen hiányos.

Még megválaszolásra vár:

1. Hogyan dől el, hogy melyik (az apai, vagy az anyai) X-kromoszóma inaktiválódik?

2. Milyen mechanizmus védi a másik X-kromoszómát az inaktiválódástól?

3. Hogyan koordinálja az XIST-RNS a heterokromatin szerveződését?

4. Hogyan marad inaktív a kromoszóma a sejtosztódások tömkelegén keresztül?



5.5. DNS-metiláció

A regulációs fehérjéken kívül maga a DNS is fontos szabályozóelemként szerepelhet,

kovalensen módosítható. Gerincesekben a citozin metilálásának van fontos szerepe a

gének (in)aktiválásában. A citozin metilálása nem befolyásolja a bázispárok kialakulását.

A gerincesek DNS-ében a metiláció kizárólag a citozin nukleotidokat érinti, ott is a CG-

báziskettősben találhatókat, melyek ugyanazzal a szekvenciával párosodnak természete-

sen ellentétes orientációval: a CG-vel szemben lévő DNS-szálon GC-báziskettős található

(5.28. ábra).

Egy viszonylag egyszerű módszer biztosítja, hogy a meglévő DNS-metilációs mintázat

öröklődjék tovább a DNS-leányszálakba. A metiltranszferáz enzimek azokon a CG-bázis-

párokon dolgoznak, amelyek már metilált CG-bázispárokkal vannak párban. A szülői

szálakon található metilációs mintázat mintegy mintául szolgál a leányszálak metilációs

mintázatához, ezáltal az direkt módon továbböröklődik (5.28. ábra). A DNS-metilációs

mintázat ilyeténképp történő stabil továbböröklődéséért a DNS-metiltranszferázok

felelősek.

5.28. ábra. A DNS-metiláció mechanizmusa, a fenntartó metilázok működése

Fontos megjegyeznünk, hogy a DNS-metilációs mintázat a gerincesek fejlődése alatt

dinamikus változást mutat. Kevéssel a megtermékenyítést követően egy demetilációs

hullám vonul végig a teljes genomon, amely során a metilcsoportok jelentős többsége

eltűnik a DNS-ről. Ez a demetilálódás bekövetkezhet egyrészről a metiltranszferázok

szupressziója miatt, replikációról replikációra történő passzív demetilációval, vagy egy

specifikus demetiláló enzim által. A fejlődés egy későbbi szakaszában, amikor a magzat a

méh falába ágyazódik be, egy új metilációs mintázat alakul ki. Az új metilációs mintázat

kialakulásáért a de novo DNS-metiltranszferázok felelősek, amelyek a metilálatlan CG-

párosokat veszik kezelésbe. Ha már egyszer kialakult a metilációs mintázat, annak

fenntartásáért a fenntartó DNS-metiltranszferázok felelősek. Mind a fenntartó, mind a de

novo metiltranszferázokban bekövetkezett mutáció korai embrionális halált ered-

ményezett egerekben, ami egyértelműen arra utal, hogy a megfelelő metilációs mintázat

sorsdöntő a normális fejlődésben.



Gerincesekben a DNS-metiláció elsősorban transzkripciósan inaktív régiókban

található, úgy, mint az inaktív X-kromoszóma, vagy az adott szövetben inaktivált gének

esetében.

Ez a megfigyelés arra enged következtetni, hogy a gének inaktiválásában lehet

szerepe. A gerincesek sejtjeiben számos fehérje ismeri fel a metilált DNS-t és köt hozzá.

Ezen DNS-kötő fehérjék ezt követően kapcsolatba kerülnek kromatin remodellező

komplexekkel, illetve hiszton deacetiláló enzimekkel, amelyek kondenzálják a kromatint,

transzkripciósan inaktívvá téve azt. Igen ám, de a DNS-metilálás önmagában nem

elegendő, hogy transzkripciósan inaktív legyen a DNS.

Ezt egy ötletes kísérlettel bizonyították is, mely során teljes mértékben metilált,

illetve teljes mértékben demetilált izomspecifikus aktint tartalmazó plazmidot hoztak

létre. Amikor ezeket izomsejt tenyészetbe vitték, a teljes mértékben metilált plazmid

ugyanolyan magas mértékben kifejeződött, mint a nem metilált változat.

Ezen kívül, ha bekapcsolnak egy csendes gént, a metiláció csak később, jó néhány

transzkripciót követően kerül le róla. Valamint az X-kromoszóma inaktivációja még jóval

a detektálható metilációja előtt bekövetkezik. Mindezek arra utalnak, ha egyszer kikap-

csoltak egy gént, a metiláció csak megerősíti annak represszióját. A primer mecha-

nizmus nem a metiláció, az csak egy további biztosíték. Két különböző típusú gerinces

sejtben egy adott gén expressziója 106-szorosa lehet a másikénak. Baktériumban egy

expresszált és egy nem expresszált gén transzkripciója között mindössze 1000-szeres

különbség lehet. Gerincesekben a DNS metiláció is hozzájárulhat (a kromatinban

bekövetkező változásán keresztül) ehhez a nagy különbséghez. A több ezer gén

(amelyek normális körülmények között ki vannak kapcsolva) lötyögős transzkripciója is

szerepet játszhat, hogy a DNS-metiltranszferáz mutáns egérembriók életképtelenek.

A baktériumokban lötyögős a transzkripciós szabályozása, vagyis a nem expresszált

gének is transzkripcióra kerülnek bizonyos százalékban. Ez a kontroll gerincesekben,

emlősökben sokkal szigorúbb, amelyhez a DNS metilációja is hozzájárulhat. Nagyobb

különbség van az expresszált és a nem expresszált transzkript szintjében.

Gerincesekben a transzkripciós csend szintén fontos szerepet játszik az ugráló

elemek (transzpozonok) proliferációjának visszaszorításában. Amíg a kódoló rész csak

néhány százaléka a teljes genomnak, addig az ugráló elemek majdnem a felét alkot-

hatják. Ezek elkészíthetik saját maguk kópiáját és ezeket bárhová beilleszthetik a geno-

mon belül, képesek lévén géneket és regulációs szakaszokat megszakítani. A metiláció

révén visszaszorítható ezen elemek transzkripciója, így elősegítvén a genom integri-

tásának megőrzését.

5.5.1. DNS-metiláció a genomi mintázatban

Az emlőssejtek, diploidok tartalmaznak egy génszettet az apától és egyet az anyától.

Néhány esetben a gén expressziója attól függ, hogy az az anyától vagy az apától

származik (5.29.ábra). A jelenséget genomi lenyomatnak nevezik.



5.29. ábra. A genomi lenyomat hatása a génexpresszióra

Jó példa a lenyomat génre az inzulinszerű növekedési faktor 2 génje: Igf2. Az Igf2

szükséges a prenatális fejlődéshez, azok az egerek, amelyek nem expresszálják az Igf2-t,

a normál egér fele súlyával, méretével születnek meg. Kizárólag az apai Igf2 kerül

transzkripcióra. Ez azt eredményezi, hogy ha az apai Igf2 mutálódik, az egerek satnyák

lesznek, ugyanakkor azon egerek, amelyek hibás anyai eredetű Igf2-vel rendelkeznek,

normális méretűek. Az ivarsejtek kialakulása során, a lenyomatolásnak kitett gének

annak függvényében metilálódnak, hogy azok a spermiumban vagy a petesejtben

vannak-e jelen. Így tehát a szülői gén eredete nyomon követhető a későbbiekben az

embrióban. A DNS-metiláció ilyeténképpen felhasználható az egyébként teljesen

megegyező két génkópia azonosítására. Tekintve, hogy a lenyomatgéneket nem érinti a

megtermékenyítést követő demetilációs hullám, ez a jelzés képessé teszi a szomatikus

sejteket arra, hogy emlékezzenek mindkét gén szülői eredetére és ennek megfelelően

szabályozódjanak. Az esetek többségében a metilációs lenyomat a gén csendességét

okozza. Néhány esetben azonban a metiláció a gén expressziójának aktiválását jelenti

(okozza). Így például az Igf2 esetében az inzulátorszakasz metilációja az apai eredetű

kromoszómán blokkolja azt működésében és lehetővé teszi, hogy egy távoli enhancer



elindítsa az Igf2 transzkripcióját. Az anyai eredetű kromoszómán az inzulátor nem

metilálódik és így az Igf2 nem íródik át (5.30. ábra).

5.30. ábra. Az Igf2-gén metilációs lenyomata

A lenyomat jelensége az epigenetikus változat egy példája, ami a fenotípus

örökölhető változata, ami nem a DNS nukleotid szekvenciájában megírt, kódolt változat

eredménye. Hogy miért létezik, teljességgel rejtély. Gerincesekben ez a méhlepényes

emlősök sajátja és az összes lenyomat gén a fötális fejlődésben játszik szerepet. A DNS-

nek tehát nemcsak a szekvenciája örökíthető.

5.5.2. CG-szigetek

A DNS-reparáló enzimek miatt a metilált citozin-részletek az evolúció folyamán szépen

lassan kivesznek a genomból. A nem metilált citozin esetleges dezaminálása uracilt

eredményez, ami normálisan nem fordul elő a DNS-ben és így a DNS-reparáló uracil

DNS-glikoziláz felismeri és kivágja, majd citozinnal pótolja. Igen ám, de a metilált citozin

esetleges dezaminációja timint eredményez, ami így ugyebár nem felismerhető, nem

megkülönböztethető az egyébként nem mutáns normális timintől. Habár erre is létezik

egy javító mechanizmus, hogy eltávolítsa ezen timineket, mégis sok ilyen dezaminált

mutáció nem kerül felismerésre, így ezek a metilált citozin-részletek szépen lassan

timinné alakulnak az evolúció alatt. Az evolúció alatt négy CG-párosból több mint három

elveszett ilyetén módon, a gerincesekben tátongó CG-űrt hagyva maga után. A

megmaradt CG-nukleotidpárosok meglehetősen egyenlőtlenül oszlanak el a genomban.



A genom 1000, 2000 bp-os részleteiben 10-20-szor gyakrabban találhatók, mint

átlagosan. Ezeket a részeket CG-szigeteknek nevezik. Ezen részletek egy-két fontos

kivételtől eltekintve nem metilált CG-részleteket tartalmaznak minden sejttípusban.

Gyakran helyezkednek el a house-keeping gének promóterei körül. A house-keeping

gének, azok a gének, amelyek kiemelt fontossággal bírnak (átírásuk elengedhetetlen) a

sejt életképességét tekintve, ezért majd minden sejt expresszálja őket (pl. rRNS-ek,

citoszkeletális fehérjék, glikolízis enzimeinek génjei stb). Továbbá néhány

szövetspecifikus gén (amelyek csak az adott sejttípusban expresszálódnak, de azokban

szinte állandó módon) környékén is fellelhetők.

A CG-szigetek eloszlását megérthetjük, hogyha figyelembe vesszük, hogy a CG

metilációval a DNS inaktiválása a cél. Gerincesekben a metil-citozin – timin mutáció csak

akkor örökíthető tovább, ha az még az ivari vonalon bekövetkezik. A legtöbb gerinces

ivarsejtben található gén metilált, tehát inaktív. A hosszú evolúciós idő alatt ezek a

metilált CG-részletek spontán dezaminálódtak és elvesztek. Azonban az aktív állapotban

tartott gének (és így nyilvánvalóan a fontos életfontosságú housekeeping gének) aktívak

maradnak és így nem is metilálódnak. Tehát ha mutáció történik, ez javítódik is egyből.

Így a modern időkre ezek mint CG-szigetek megőrződtek. Továbbá bármely olyan CG-

mutáció, amely egy gén funkcióját vagy regulációját elrontja, kiszelektálódik, így néhány

CG-sziget egyszerűen csak a normálisnál nagyobb sűrűségű kritikus CG-szekvencia szám

eredménye. Az emlősgenom nagyjából 20 000 CG-szigetet tartalmaz. Ezek a szigetek

nagyrészt a transzkripciós egység 5’ végét, tehát egyben a gén végét is jelölik. Ily módon

a CG-szigetek az emlősgenomban felhasználhatók a DNS-szekvencián belül a gének

azonosítására.


6. Sejtkommunikáció

Az eukarióta sejtekkel megjelent a bonyolult több kompartimentumos felépítés is, ezzel

együtt pedig, az ezek közti, majd később a többsejtű élőlényekkel a sejtek közötti

kommunikáció igénye. Egyes vélemények szerint ezzel indokolható, hogy mintegy 2,5

milliárd évvel a prokarióták után jelentek csak meg az első többsejtű élőlények.

Szomszédos vagy távoli sejtek között megvalósuló kommunikáció igen jelentős

mértékben különböző szignálmolekulákon múlik, a kommunikáció egyéb igen fontos

elemei a sejt saját fehérjéi, melyek a szignálokra reagálnak.

Amint az extracelluláris szignál eléri a sejtet, a kommunikáció (a jelátvitel) a

következő szinteken folyik (6.1. ábra):

– sejtfelszíni receptorfehérjék: kötik az extracelluláris szignálokat, ligandjaikat és

elindítják a sejtbeli folyamatokat;

– intracelluláris szignálfehérjék: a szignál szortírozása a sejtben (pl.: kinázok,

foszfatázok, GTP-kötő fehérjék);

– célfehérjék: aktiválás, sejt viselkedésének megváltozása;

– génregulációs fehérjék, ioncsatornák, metabolikus utak egységei, citoszkeleton

részletei.

6.1. ábra. A celluláris jelátvitel szintjei



6.1. Az extracelluláris szignálmolekulák

Az állati sejtek szignálmolekulák százai segítségével kommunikál. Milyen anyagok tölt-

hetnek be ilyen feladatot? Az extracelluláris szignálmolekulák meglehetősen heterogén

csoportot alkotnak. Ismertek köztük: fehérjék, peptidek, aminosavak, nukleotidok,

szteroidok, retinoidok, zsírsavak, oldott gázok (pl.: NO, CO).

Ezek jelentős része a szignált kibocsátó sejtből exocitózissal az extracelluláris térbe

ürül. Azonban erre más lehetőségek is rendelkezésre állnak, mint például: diffúzió a

sejtmembránon keresztül; a szignálmolekula a szignált kibocsátó sejthez kapcsolódva a

felszínén marad kötve, de az extracelluláris térben található, arra néz. A szignál az őt

kibocsátó sejtből tehát exocitózissal, diffúzióval és sejtfelszíni kötődés révén kerülhet ki,

mutathatja be a célsejtnek.

A szignál természetétől függetlenül a célsejt egy fehérjemolekula, a receptor segít-

ségével képes a jeleket fogni és a további feldolgozást, eseményeket elindítani. A recep-

tor rendkívül specifikusan köti ligandját (a szignálmolekulát). Az extracelluláris szignál-

molekulák általában rendkívül alacsony koncentrációban (≤ 10-8 M) vannak jelen,

viszont az őket felismerő receptor rendkívül nagy affinitással köti őket (K ≥ 108 l/mol).

A jeleket fogó receptorokat elhelyezkedésüknek (illetve az általuk megkötött

szignálnak) megfelelően két nagy csoportra osztjuk.

Sejtfelszíni receptorok: az esetek nagy részében ezen transzmembrán fehérjék kötik

a szignálmolekulát és egy intracelluláris szignálkaszkádot indítanak el, ami megváltoz-

tatja a sejt viselkedését (6.2. ábra).

6.2. ábra. Sejtfelszíni receptorok

Magreceptorok: intracelluláris receptorok – a szignálnak a sejtbe kell jutnia, hogy

aktiválhassa őket. Ez esetben a kisméretű, hidrofób szignál átjut a membránon (6.3.

ábra).

6. Sejtkommunikáció 85


6.3. ábra. Intracelluláris magreceptorok

6.1.1. A szignálmolekulák hatótávolsága

Az egyes szignálmolekulák kommunikációs távolsága igen eltérő lehet.

1. Egyes szignálmolekulák a szignált kibocsátó sejthez tapadva maradnak, így csak a

velük kapcsolatba lépő sejtekre hatnak (6.4. A ábra). Ilyen kapcsolatfüggő

szignalizáció valósul meg a fejlődés és az immunválasz során. Ez egy

meglehetősen ritka kommunikációs forma. A legtöbb esetben a szignálok

szekretálódnak.

2. Parakrin

A szekretált molekulák ebben az esetben, mint lokális mediátorok csak a köz-

vetlen környezetben található sejtekre fejtik ki hatásukat (6.4. B ábra). Az, hogy a

parakrin szignál csak a megfelelő célsejthez jusson el azt igényli, hogy ne

diffundáljon messze. A gyakorlatban ez úgy valósulhat meg, hogy a szomszédos

sejtek gyorsan felveszik, vagy az extracelluláris mátrix lehorgonyozza őket.

3. Idegsejtek, szinapszis

Egy nagyméretű többsejtes élőlénynek a rövidtávú kommunikáció nem elegendő

sejtjei irányításához. A periféria irányítására az idegsejtek a legmegfelelőbbek

(hosszú axonnyúlványok). Ha aktiválódnak (külső szignál, vagy másik idegsejt

által) egy elektromos impulzus fut rajtuk végig, majd ha eléri a végéüket, akkor

kémiai szignálokat, neurotranszmittereket bocsátanak ki. Ezek az anyagok egy

specifikus sejtkapcsolatba, a kémiai szinapszisba kerülnek, mely biztosítja, hogy

azok csak a posztszinaptikus célsejtet érjék (6.4.C ábra).

4. A másik nagy kiterjedésű irányítási lehetőség az endokrin szabályozás. A

szervezetet, mint egy egészet szabályozza. Az endokrinsejtek szignálmolekulái-

kat, a hormonokat a véráramba juttatják, amely az egész testbe eljuttatja azokat

(6.4.D ábra). Az endokrin szállító közeg a vér, a folyamat tehát diffúziólimitált

(viszonylag lassú). A szignálhormon felhígul a vérben, interstíciumban. Alacsony

koncentrációban is hatnia kell (<10-8 M)



6.4. ábra. A szignálmolekulák hatótávolsága

Ezzel szemben az idegi (szinaptikus) jeltovábbítás, az idegsejtek elektromos

impulzusa, gyorsabb, precízebb. Gyors (> 100 m/s) elektromos impulzusterjedés.

A szinapszisokra jellemző 100 nm távolságot msec-os nagyságrend alatt teszi

meg. A neurotranszmitter alig hígul, magas lokális koncentráció jellemzi (pl.: az

acetilkolin koncentráció 5x10-4 Ma neuromuszkuláris résben). Ennek következté-

ben viszonylag alacsony a neurotranszmitter receptor affinitása. Így a neuro-

transzmitter viszonylag könnyen (gyorsan) disszociálhat a receptorról, gyorsan

megszüntetve a kiváltott választ. Az idegsejtből történt kibocsátását követően

nem sokkal eltávolítható (enzimes degradáció) a szinapszisból. Visszatranszpor-

tálódik az idegsejtbe vagy a szomszédos glia sejtekbe. Mind időben, mind térben

precízebb, mint az endokrin szabályozás.

A kiváltott válasz reakcióideje attól is függ, hogy mi az a válasz (6.5. ábra):

1. már meglévő fehérjében bekövetkező változás, ez igen gyors, s, msec-os nagyság-

rendű;

2. génexpresszió szinten bekövetkező válasz, ez lassabb, több órás nagyságrendű.



6.5. ábra. Az extracelluláris jelre adott válasz természete, reakcióideje

6.2. Autokrin szabályozás

Az eddig tárgyalt esetekben egy sejt más sejteket befolyásolt, más volt a szignált

kibocsátó és a célsejt. Sejtek, amelyek ugyanazon típusú sejteknek küldenek szignálokat,

képesek saját maguknak is. Ezt a jelenséget autokrin szignalizációnak nevezzük. A sejt

szignálmolekulákat szekretál, amelyek saját receptorához képesek bekötődni. Erre jó

példa, ha a fejlődés során egy adott sejt elkötelezte magát egy bizonyos differenciálódás

útján, akkor az elkezdhet autokrin szignálokat szekretálni saját maga számára, az adott

fejlődési irányt megerősítendő. A folyamat azonos sejttípusú szomszédos sejtek által

még hatékonyabb, alkalmas arra, hogy azonos sejttípusú sejtek azonos fejlődési döntést

hozzanak. Így az autokrin szignalizáció feltehetően egy lehetséges mechanizmus a

molekuláris „csordaszellem” vagy „közösségi hatás” megvalósítására, amelyet a fejlődés

korai szakaszában tapasztalnak, amely során az azonos sejttípusú sejtek csoportja képes

a differenciálódást kiváltó szignálra reagálni, az egyedül lévő, izolált viszont nem.

6.3. Gap junction

Specializált sejt-sejt kapcsolatok a szomszédos sejtek között. Tulajdonképpen a szom-

szédos sejtek citoplazmái között létesült vízzel kitöltött csatornák. A csatornák megte-

remtik a lehetőséget, hogy kisméretű hírvivő molekulák (intracelluláris mediátorok),



mint a Ca2+ és a ciklikus AMP (cAMP), kicserélődjenek a két sejt között, azonban a

nagyobb méretű makromolekulák, mint a fehérjék, nukleinsavak számára határt képez-

zenek. Így a sejtek a réskapcsolatok révén direkt módon kommunikálhatnak egymással,

anélkül, hogy a köztük levő plazmamembrán megakadályozná őket ebben. Néhány

véglegesen differenciálódott sejt kivételével, mint a vázizom sejtek és a vérsejtek,

minden állati sejt kommunikál szomszédos sejtjeivel, ilyen réskapcsolaton keresztül.

A következőkben tekintsük át a receptorok különböző fajtáit egy-egy jellemző példa

bemutatásával.

6.4. Plazmamembrán-receptorok

Integráns membránfehérjék (általában glikoproteinek), egy vagy több transzmembrán

szakasszal, monomer vagy polimer szerkezettel. A plazmamembrán receptorokat a

receptor-fehérje szerkezete, illetve a jelátviteli mechanizmus alapján három különböző

csoportra osztjuk. A következőkben ezen három csoportot tárgyaljuk meg kicsit

részletesebben.

6.4.1. Receptor-ioncsatornák

A receptort alkotó fehérje alegységek több transzmembrán szakasszal rendelkeznek, a

membránban egy pórus, vagy csatorna köré rendeződnek. A ligand megkötésekor

térszerkezetük megváltozik és átjárhatóvá válnak. Ekkor a csatornákon keresztül

kationok, vagy anionok jutnak át, az extracelluláris jelek hatását ezek fogják közvetíteni

az intracelluláris szereplők felé. Általában neurotranszmitterek receptorai, neurotransz-

mitterek hatásait közvetítik. Ideg és ideg, ideg és célszerv (sejtjei) közötti kommunikáció

valósul meg a segítségükkel.

A receptor aktiválásának következményei attól függnek, hogy milyen ion számára

nyit kaput. Depolarizációt, azaz stimulációt, vagy ellenkezőleg: gátló hatást eredményez-

hetnek.

Például, ha

Na+ csatornát nyit → depolarizáció, stimuláció,

Cl- csatornát nyit → depolarizáció gátlása lesz az eredmény.

Mindkét folyamat rendkívül gyors, msec nagyságrendű, ellentétben például a G-

fehérje kapcsolt receptorokkal, ahol a reakcióidő néhány másodperces.

A receptor-ioncsatornák elsőként megtisztított és legjobban tanulmányozott példá-

nya az acetilkolin-nikotin receptora. Ezért ennek működésén keresztül mutatjuk be a

receptorcsaládot.

Két altípusa ismeretes: az izom, amely egy pentamer (α2-,β-,γ-,δ-alegységekkel),

illetve a neuronális altípus, amely kétféle alegységből áll (α és β). Tekintsük át az izom-

altípus működését (6.6. ábra). Az alegységek egy alapesetben nem átjárható csatorna



köré rendeződnek (6.6. A ábra). Mindegyik alegység négy transzmembránrégióval

rendelkezik (6.6. B ábra). 2 db acetilkolin-kötőhely található receptoronként, egy az α-

és γ- és egy az α- és δ-alegységek között (6.6. C ábra). Az agonisták és az antagonisták is

ide kötődnek.

Az acetilkolin bekötése megváltoztatja a kötőhely szerkezetét, ami az alegységek

elmozdulását okozza. A csatorna citoplazmatikus oldalán található „kapu” kinyílik. Az így

megnyílt átjáró egy 0,65 nm átmérőjű, kationokra permeábilis csatorna (6.6. ábra). A

nikotinreceptor nem szelektív kationcsatorna, a méretük alapján jutnak át a különböző

kationok az elektrokémiai gradiens irányába: Na+> K+> Ca2+.

A neuronális csatorna Ca2+-ionokra áteresztőbb, permeabilitása nagyobb.

6.6. ábra. Az acetilkolin-nikotin receptorának izom-altípusa, az alegységek (a), az alegységek transzmembránrégiói(b), illetve az acetilkolin-kötőhelyek felülnézetből(c)

6.4.2. Hét transzmembrán szegmenssel rendelkező, G-fehérje-kapcsolt receptorok

Számos hormon, neurotranszmitter ilyen receptorokon keresztül befolyásolja a sejt

működését, ezeken kívül ide tartoznak a látás és szaglás folyamatában részt vevő

receptorok is.

Adódhat a kérdés, hogy mely fehérjéket nevezzük G-fehérjéknek. A fehérjék egy

jelentős része GTP kötésére képes. A GTP-kötő fehérjék között találunk transzlációs



faktorokat, ras-fehérjéket, kis moltömegű GTP-kötő fehérjéket és heterotrimer GTP-kötő

fehérjéket. Ez utóbbi csoportot szoktuk nemes egyszerűséggel G-fehérjéknek nevezni.

Közös jellemzőjük, hogy GTP-t kötnek, ami aktiválja a G-fehérjét, beindítja a jel

közvetítését, majd végül a GTP GDP-vé történő hidrolízise leállítja a működést.

Tulajdonképpen egyszerű kapcsolóként is felfoghatjuk őket, amelyben a GDP GTP-re

történő cseréjével bekapcsoljuk, a GTP GDP-re történő hidrolízisével kikapcsoljuk a

jelátviteli útvonalat (6.7. ábra). Külön érdekes, hogy maga a G-fehérje hidrolizálja a GTP-t,

GTPáz aktivitással rendelkezik.

6.7. ábra. A G-fehérje mint jelátviteli kapcsoló

A G-fehérjék szerkezeti felépítése

A G-fehérjék 3 alegységből állnak: -alegység (39-51 kDa), -alegység (35-36 kDa) és a

-alegységből (7-10 kDa). A és -alegységek szorosan kapcsolódnak egymáshoz, míg az

-alegység disszociábilis. Ez utóbbi köti a GDP-t vagy GTP-t (6.8. ábra).

6.8. ábra. A G-fehérjék szerkezeti felépítése



Működési ciklusuk

Az extracelluláris agonista kötődik a hét transzmembrán szegmenssel rendelkező

receptorához, amelyhez intracellulárisan G-fehérje asszociál. A receptor-ligand

kapcsolat kialakulásakor megváltozik a komplex térszerkezete, amely ily módon kiterjed

az intracelluláris régióra is. Ennek következtében a G-fehérje -alegységéhez kötődött

GDP disszociálódik és GTP-re cserélődik. A már GTP-t kötő -alegység disszociál a -

alegységről és kölcsönhatásba lép az effektorával (ez például lehet az adenilát-cikláz, a

foszfolipáz C, sőt különböző ioncsatornák is). Az effektor működését módosítja, melynek

hatására a különböző intracelluláris mediátorok (pl cAMP, Ca2+) szintje megváltozik (6.9.

ábra). Az -alegység enzimaktivitása révén a GTP-t GDT-vé hidrolizálja, aminek hatására

az -alegység disszociál az effektorról és ismét a -alegységhez kötődik, kialakul az

inaktív GDP- komplex. Természetesen egy következő ciklus során újfent aktiválódhat

és az egész folyamat kezdődhet az elejéről.

6.9. ábra. A G-fehérjék működés közben

Csoportosításuk

A G-fehérjék csoportba osztása az -alegység szekvencia hasonlósága alapján történik.

Jelenleg 20 különböző -alegységet ismerünk, amelyek legalább 9 gén és alternatív

splicing eredményei. Ezeket 4 nagyobb családba soroljuk:

1. Gs-család: A legjobban ismert, számos hormon és neurotranszmitter, illetve a

szaglás receptorához kapcsolódik. Stimulálja (a család nevét is innen kapta) az

adenilát ciklázt, működése megnöveli a cAMP-szintet.

2. Gq-család: Szerkezete eltér a Gs-családétól, csaknem minden szövettípusban

megtalálható. A foszfolipáz C enzimet aktíválja.

3. Gi-család: Közös tulajdonságuk, hogy pertussis-toxin érzékenyek. Egyik alcso-

portjuk az adenilát cikláz gátlását (a név eredete: inhibeáló) okozza. Másik alcso-

portjuk ioncsatornákkal létesít kapcsolatot: Go. Ebbe a csoportba tartoznak a

látás folyamatában részt vevő Gt-fehérjék, amelyek a retinapálcikákban találha-

tók. Szintén fontos az a Gi-fehérje, amely a szívizomsejtekben közvetlenül

aktiválja a K+-csatornákat és hiperpolarizációt hoz létre.

4. G12-család: Szinte minden szövetben előfordulnak a család tagjai, funkciójuk

azonban többnyire még ismeretlen.



Az -alegységek több doménből épülnek fel. Az egyes doménokhoz különböző

funkció társítható:

˗ specifikus receptor felismerése

˗ guanin nukleotidkötés

˗ GTP hidrolízis

˗ -alegységek kötése

˗ effektor kapcsolat.

-alegységek

Szerepük kevésbé tisztázott, mint az -alegységé. Az -alegységet a membránhoz

rögzítik, egyes esetekben közvetlenül az effektorral is kapcsolatba lépnek.

Patobiokémiai vonatkozások

Egyes bakteriális toxinok az -alegységet adott helyen ADP-ribozilálhatják. A folyamat

során a NAD-ról ADP-ribóz egység kerül a toxin hatására az -alegységre, miközben a

nikotinsav rész felszabadul. A toxin hatása attól függ, hogy az -alegység mely

doménjére kerül az ADP-ribóz részlet, mely domén funkciója esik ki ezáltal.

A Vibrio cholerae toxinja a Gs-alegységét ADP ribozilálja a GTPáz-funkcióért felelős

doménen. Így a módosítás hatására kiesik a GTPáz-aktivitás, aminek következtében a G-

fehérje nem tud kikapcsolni. A folyton aktív G-fehérje pedig megállás nélkül aktív

állapotban tartja effektorát, az adenilát-ciklázt. A kontrollálatlan adenilát-cikláz aktivitás

következtében pedig jelentős mértékben megnő a cAMP-szintje és vele együtt minden

olyan folyamat kontroll nélkül felerősödik, amelyet a cAMP-szint regulál. Tekintve, hogy

a cholera-toxin a gyomor, bélcsatorna sejtjeivel kerül kapcsolatba, az adenilát-cikláz

állandó aktivitása is ezeket a sejteket érinti és alakít ki súlyos elektrolit- és

folyadékfelszívódási zavarokat.

A Bordatella pertussis toxinja a pertussis-toxin a Gi--alegységeket C-terminálisukhoz

közel, a receptor felismerésért, kötésért felelős részen ADP-ribozilálja. Így ADP-

riboziláció esetén a G-fehérje és a receptor nem asszociálnak. A toxin jelenlétében így

kiesnek az ezen fehérjék által közvetítette folyamatok.

G-fehérjék és jelerősítés

A G-fehérjék effektorai tehát igen gyakran enzimek, amelyek intracelluláris mediátorok

képződését katalizálják. Ez rendkívül jó lehetőséget ad a jel felerősítésére, hisz az

effektor enzim aktiválása több katalitikus ciklusban is fokozza az intracelluláris

mediátorok képződését. Ezen kívül fontos szem előtt tartanunk azt is, hogy egy receptor

többféle G-fehérjével is kölcsönhatásba léphet, amely szintén hozzájárulhat a jel

felerősítéséhez.



6.4.3. Protein-kinázok, foszfoprotein-foszfatázok

Az extracelluláris jelre cellulárisan igen gyakran adott válasz a reverzibilis fehérje-

foszforiláció. Milyen stimulus válthat ki reverzibilis fehérjefoszforilációt?

1. kiválthatja valamilyen másodlagos hírvivőmolekula, mint például a már

említett cAMP;

2. elképzelhető, hogy a receptor-ligand komplex közvetlenül (másodlagos

hírvivőmolekula képződése nélkül) fehérjefoszforilációval aktiválja a jelpályáját.

Ez utóbbi esetre jó példa az egyes növekedési faktor receptorok és a hozzájuk

kapcsolódó jelpályák.

Az eltérő extracelluláris jelek által aktivált jelpálya rendszerek között szoros

kölcsönhatás (crosstalk, párbeszéd) van, mely igen gyakran foszforilációs lépéseken

keresztül valósul meg.

A fehérjék foszforilációját végző kinázok és a defoszforilációt végző foszfoprotein-

foszfatázok részletesebb ismertetését korábban a 3.2. fejezetben már megtettük, jelen

esetben ennek ismétlésétől eltekintünk. A következőkben szeretnénk néhány, jelátviteli,

szabályozási szempontból fontos kinázt és a közreműködésükkel létrejövő jelpályát

bemutatni.

6.4.3.1. cAMP-dependens protein-kináz (protein-kináz-A)

A legrégebben és a legalaposabban ismert, tanulmányozott fehérje-kináz. Szerkezetét

tekintve inaktív formában tetramer. Két egyforma regulációs és két egyforma katalitikus

részből, alegységből áll (6.10. ábra). A regulációs rész a katalitikus alegységgel asszociált

formában gátolja annak működését.

6.10. ábra. A cAMP-dependens protein-kináz felépítése

A regulációs alegységen, alegységenként két-két cAMP-kötőhely található (regulációs

alegység dimerenként 2*2). A cAMP-szint növekedésével bekötnek a regulációs alegység

cAMP-kötőhelyére, melynek térszerkezete ennek hatására megváltozik (allosztérikus

reguláció) és a regulációs alegység dimer szabadon engedi a katalitikus alegység

monomereket, melyek így aktív állapotba kerülnek (6.11. ábra). Természetesen a cAMP-

szint csökkenésével azok ledisszociálnak a regulátor-alegységről, majd begyűjtenek két

katalitikus alegységet, így inaktív állapotba hozva őket (6.11. ábra).



6.11. ábra. A cAMP-dependens protein-kináz regulációja

Kétféle regulátor-alegység izotípust írtak le ezidáig: R’ és R”. Az R” targettáló

szereppel is rendelkezik, ugyanis képes az inaktív tetramert szubsztrátjának közelében

lehorgonyozni, így annak foszforilációja meggyorsítható a kináz aktiválódásakor.

6.4.3.2. A cGMP-dependens protein-kináz (protein-kináz-G)

Szerkezete nagymértékben hasonló a cAMP-dependens protein-kinázéhoz. Ez a fehérje

azonban két azonos polipeptid láncból áll, a regulátor és a katalitikus rész nem alkot

külön fehérjét, egyazon polipeptid lánc két doménjeként helyezkednek el. Ebben az

esetben a cGMP-regulátor doménhez történő kötése nem okozza az alegység disszo-

ciációját, hanem a szerkezet megváltozásához vezet, aminek a hatására a katalitikus rész

felszabadul a gátlás alól.

6.4.3.3. Protein kináz-C

Tulajdonképpen ebben az esetben nem egy adott enzimről van szó, hanem egy egymásra

nagymértékben hasonlító enzimcsaládról, amelynek jelenleg 12 tagja ismert. A család

klasszikus tagjai Ca2+/foszfolipid-dependens protein kinázok (, ’, ” és protein

kináz). A család többi atípusos tagja Ca2+-independens. Az izoenzimek szöveti ex-

pressziója igen eltérő. Egyetlen több doménből álló fehérjeláncból állnak. Az N-termi-

nálison helyezkedik el a regulációs domén, a C-terminálison pedig a katalitikus domén

(6.12. ábra). A regulátor doménhez kötődő allosztérikus ligandok együttes hatására

szabadul fel a katalitikus domén a gátlás alól. Az aktiváláshoz Ca2+-ra és foszfatidil-

szerinre van szükség. Fontos megjegyeznünk, hogy az enzim Ca2+ iránti affinitását nagy-



mértékben növeli a diacil-glicerol. Mind a protein kináz A, mind a protein kináz C széles

szubsztrát specificitású protein kinázok. Specificitásdeterminánsukban bázikus amino-

savak jelenléte szerepel a foszforilálandó szerin/treonin-csoportok közelében.

6.12. ábra. A protein kináz C felépítése és aktiválódása

6.4.4. Transzmembrán protein kinázok: növekedési faktor-receptor

Tulajdonképpen a protein kinázokkal megszakítottuk az eddig (remélhetően) logikus

fejezet felépítést. Hisz megtárgyaltuk a plazmamambrán receptorok két nagy családját, a

plazmamembrán ioncsatornákat és a 7 transzmembrán szegmenssel rendelkező G-

fehérje asszociált receptorokat. Ezen pontok után következett volna a harmadik nagy

csoport tárgyalása, amely nem más, mint a transzmembrán protein kinázoké. A tárgyalás

menetének megszakítása indokolt volt és remélhetően logikus is. Gondoljunk csak bele a

korábban tárgyalt ioncsatorna-receptorok jelentős része például a Ca2+-ionok (mint

másodlagos hírvivő) szintjének emelkedésén keresztül, vagy a hét transzmembrán

szegmenssel rendelkező receptorok a cAMP (mint másodlagos hírvivő) szintjének

változtatásán keresztül fejtik ki a hatásukat. Ez a hatás pedig mindkét esetben protein

kinázok aktivitásának befolyásolása (Protein kináz C a Ca2+ esetében és cAMP-függő

protein kináz a cAMP esetében). Ezért logikusnak tartottuk a receptorokat követő

folyamatokat rögtön a receptorok tárgyalása után ismertetni. Ez a tárgyalási mód

egyben megteremtette a lehetőséget, hogy ily módon eljussunk a receptorok harmadik

nagy csoportjához a transzmembrán protein-tirozin-kinázokhoz.

Esetükben egyetlen transzmembrán domén található. A fehérje extracelluláris

részén, az N-terminálison helyezkedik el az extracelluláris jel (pl.: növekedési hormon)

megkötéséért felelős receptor domén (6.13. ábra). Az intracelluláris részen, a fehérje C-

terminálisán pedig a kináz domén található (6.13. ábra). Szintén ezen a részen



találhatóak azok a tirozin oldalláncok, amelyeket az enzimfehérje saját magán fosz-

forilálni képes (autofoszforiláció). Az extracellulárisan kötődő növekedési faktor hatá-

sára intracellulárisan foszforilálódó tirozin oldalláncok indítják el a jelpálya működését.

6.13. ábra. Transzmembrán tirozin-kináz (receptor)

Léteznek nem receptor protein-tirozin-kinázok is. Ezen fehérjék nem a plazma-

membrán integráns alkotói, a citoplazmában, illetve a sejtmembránhoz kihorgonyozva

találhatóak. Az extracelluláris jelre (pl.: növekedési faktor, citokinek) a jelet felfogó

receptor intracelluláris részéhez képesek kötni, majd aktiválódva foszforilációs hatá-

sukat kifejtve elindítani (tovább adni) a jelátvitelt.

6.4.5. Foszfoprotein-foszfatázok

A jel lecsengése a fehérjék defoszforilációja révén történik meg, melyért a foszfoprotein-

foszfatázok felelősek. Ahogy korábban említettük, csoportosításuk a kinázokéhoz

hasonló, két nagy csoportba a szerin-/treonin- és a tirozin-oldalláncokról hasító

foszfatázokról beszélhetünk. Ismert néhány enzim, amely mind szerin-/treonin-, mind

tirozin-oldalláncokról képes a foszfátcsoport eltávolítására.

A fehérjék foszforiláltsági állapota mindig (legalább) kétkomponensű folyamat

eredménye, az illetékes protein kinázok és a hidrolízist végző foszfoprotein-foszfatázok

pillanatnyi aktivitásától függ.

6.5. A cAMP mediátorrendszer

A cAMP-mediátorrendszer működése egyértelműen a hét transzmembrán régióval

rendelkező receptorok működéséhez köthető (6.14. ábra). Ezek közül is két csoport vesz

részt a mediátorrendszer működésében:



1. Azok a receptorok, amelyek heterotrimer Gs-fehérjékkel állnak kapcsolatban.

Ezen ligand-receptor komplexek aktiválják az adenilát-ciklázt és az intracelluláris

cAMP-szint emelkedését idézik elő.

2. Azon receptorok, amelyek Gi-fehérjékkel állnak kapcsolatban. Ezen ligand-

receptor komplexek gátolják az adenilát-ciklázt és az intracelluláris cAMP-szint

csökkenését idézik elő.

Az adenilát-cikláz enzim az ATP és helyzetű foszfátját pirofoszfátként hasítja le a

cAMP képződésekor (6.14. ábra). A folyamatot a pirofoszfát anorganikus foszfátra

történő hidrolízise teszi irreverzibilissé. Az intracelluláris cAMP szint a cAMP-t előállító,

adenilát-cikláz és a cAMP-t hasító ciklikus nukleotid-foszfodiészteráz aktivitásának függ-

vénye. Az adenilát-cikláz átmeneti aktiválódását követően az aktiváló extracelluláris jel

csökkenésekor a nyugalmi cAMP-szintet a ciklikus nukleotid-foszfodiészterázok állítják

vissza.

A ciklikus nukleotid-foszfodiészterázoknak több típusa ismert. Nem minden sejt-

típusban fordul elő az enzim mindegyik típusa. A legáltalánosabban elterjedt az alacsony

Km értékű (Km ~ 10-6 M), illetve a magas Km értékű (Km ~ 10-4) enzimtípus.

A cAMP mediátorrendszer működését más jelpályák is befolyásolják (igen gyakran a

ciklikus nukleotid foszfodiészteráz-aktivitások befolyásolásán keresztül).

6.14. ábra. A cAMP-mediátorrendszer működés közben



A cAMP mediátorrendszer tulajdonképpen az eukarióta sejtek legegyszerűbb ismert

jelpályája, mivel minden hatásáért a cAMP-dependens protein kináz (protein kináz A) a

felelős. A cAMP felszabadítja a protein kináz A katalitikus alegységét a regulációs

alegység okozta gátlás alól. Az aktivált katalitikus alegység különböző fehérjéket

foszforilál, ezáltal aktíválja vagy inaktiválja azokat (6.11. ábra). Számos szubsztrát

fehérjéje ismert, köztük megtalálható metabolikus utak eznimei, de akár ioncsatorna

fehérjerészletek is. A mediátorrendszer így képes például a Ca2+ jelpálya működését is

befolyásolni.

A különböző extracelluláris jelek, különböző sejtekben ugyanazon jelpályákat hasz-

nálják, az extracelluláris jelre adott válasz mégis sejtspecifikus, mivel különbözőképpen

differenciálódott sejtekben a protein kináz A különböző, a sejt differenciáltságának

megfelelő fehérjéket képes foszforilálni. Tehát a sejt differencilódási módja szabja meg,

hogy milyen fehérjéket képes foszforilálni, ezáltal aktivitását befolyásolni a cAMP-

dependens protein kináz.

A cAMP-dependens protein kináz (PKA) a génszintű regulációban

A CRE, vagy cisz regulációs elem, egy rövidke DNS-szakasz (enhancer), amelyhez egy

cAMP-dependens protein kináz által foszforilált CREB nevű fehérje képes kötni. A CRE

egy rövid palindróm DNS-szekvencia, amely a cAMP által szabályozott gének

promóterén helyezkedik el. A CREB-dimer foszforilációja szükséges, hogy a CBP-nek

nevezett koaktivátor fehérje a CREB-hez kötődjék. A CBP segítségével alakul ki a

komplex fehérjeszerkezet, amely segít az RNS-polimeráz II bekötődésében, az iniciációs

komplex kialakulásában. A CBP hisztonacetiláló aktivitással is rendelkezik, ezáltal is

tovább segítve a transzkripció megindulását (6.15. ábra).

6.15. ábra. A cAMP-dependens protein kináz (PKA) szerepe a génszintű szabályozásban



6.6. Inozitol-foszfolipid jelátviteli rendszer

A receptorok egy jelentős részének aktiválása a sejtekben foszfatidilinozitol-származé-

kok hidrolízisét fokozza. Az intracelluláris mediátorok a foszfatidilinozitolokra speci-

fikus foszfolipáz-C hatására keletkeznek. Az enzim legfontosabb szubsztrátja a plazma-

membrán-lipid kettős rétegében elhelyezkedő foszfatidilinozitol-4,5-biszfoszfát (PIP2).

A foszfolipáz C hatására végbemenő hidrolízis eredménye a diacil-glicerol és az inozitol-

1,4,5-trizfoszfát. Ez a két vegyület a jelpálya mediátora. A sejten belül a jelátvitelt két

különböző irányba viszik tovább.

A foszfolipáz C kétféle receptor hatására aktiválódhat: 1. Hét transzmembrán szeg-

menssel rendelkező receptorok aktiválhatják, G-fehérjéken keresztül, illetve 2. tirozin

kináz aktivitású receptorok aktiválhatják. A két receptorcsalád eltérő foszfolipáz C izo-

enzimeket aktivál.

Foszfolipáz C

A foszfolipáz C aktivitásához Ca2+-t igényel. Háromféle izoformája van a , ,foszfolipáz

C, amelyek közül a és a jelátviteli szerepet tölt be, a szerepe egyelőre ismeretlen.

Izoformái közül a foszfolipáz-1 a legtöbb szövetben megtalálható, G-fehérjék

hatására aktiválódik. A Gq a-alegysége kölcsönhatásba lép az enzimmel és megnöveli

annak vmax értékét. A és a izoforma aktivitását a Gq a nem befolyásolja. Azon

hormonok, neurotranszmitterek és más szignálok, amelyek receptora a membránban Gq-

fehérjéhez kapcsolódik, foszfolipáz C aktiválást okoznak.

A foszfolipáz C -t a tirozin kináz receptorok aktiválják. A receptorral való kölcsön-

hatás során az enzim foszforilálódik. Az aktiválódással egyidejűleg az enzim a citoplaz-

mából a membránhoz, a szubsztrátjához (a plazmamembrán egyik alkotója: a foszfati-

dilinozitol-4,5-biszfoszfát) közel lokalizálódik.

Ahogy láttuk, az eltérő receptorok eltérő izoenzimeket aktiválnak, a végeredmény

azonban mindig ugyanaz: IP3 és diacil glicerol keletkezése foszfatidilinozitol-4,5-

biszfoszfátból (6.16. ábra).



6.16. ábra. A foszfolipáz-C aktiválása és működése

Az IP3 hatására megemelkedik a citoszol szabad Ca2+-koncentrációja. Az IP3

vízoldható molekula lévén eljut az intracelluláris Ca2+ raktárakhoz, ahonnan aztán Ca2+-t

szabadít fel. Ilyen intracelluláris Ca2+ raktár az endoplazmás retikulum, illetve

izomsejtekben a szarkoplazmás retikulum (6.17. ábra). Ezekben a Ca2+ raktárakban, a

Ca2+ különböző fehérjékhez kötve található. A módszer előnye, hogy nem csapódik ki a

magas (mM-os) koncentráció ellenére sem. A harántcsíkolt, a szív és a simaizmok

legfontosabb Ca2+-kötő fehérjéje a kalszekvesztrin (63 kDa), a legtöbb sejtben

megtalálható Ca2+-kötő, -raktározó fehérje pedig kalretikulin (46 kDa).

Ezen fehérjék nagy kapacitással (~ 50 Ca2+ kötőhely/molekula) és kis affinitással (Kd

~ 1 mM) kötik a Ca2+-t. Így valósulhat meg a Ca2+ raktárakból történő felszabadulása. A

felszabadulás 2 különböző ioncsatornán keresztül valósulhat meg:

1. Az endoplazmás retikulum membránjában található IP3-receptoron keresztül. A

folyamat a következőképpen alakul: az extracelluláris szignál dokkol a plazma-

membránban található receptorán (7 transzmembrán szegmenssel rendelkező

Gq-fehérjével asszociált, vagy tirozin kináz aktivitással rendelkező receptor), ezt

követően megtörténik a foszfolipáz C intracelluláris aktivációja, amely a plazma-

membránban található szubsztrátjának hasítása révén IP3 képződését eredmé-

nyezi. Az IP3 vízoldható molekula lévén eljut az endoplazmás retikulum memb-

ránban található receptorához, ahol dokkol. A receptor egyben egy Ca2+ csatorna

is. A receptor szerkezetét tekintve 4 alegységből áll, az IP3 dokkolása megváltoz-

tatja a tetramer térszerkezetét. A konformáció változás előidézi a Ca2+ mobili-

zációját.

2. Rianodin-receptor. Ez a receptor is az endoplazmás retikulum, illetve szív-,

harántcsíkolt- és simaizmok esetében a szarkoplazmás retikulum membránjában



található. Mind szerkezetét, mind funkcióját tekintve hasonlít az IP3-receptorhoz.

Nevét onnan kapta, hogy egy rianodin nevű növényi alkaloida is aktíválja. Haránt-

csíkolt izomban a szarkoplazmás retikulum rianodin receptorai a depolarizáció

hatására aktiválódnak, majd rajtuk keresztül Ca2+ kiáramlás történik, ami aztán

előidézi az izomkontrakciót. A szívizomban a feszültségfüggő plazmamembrán

depolarizáció következtében a feszültségfüggő Ca2+ csatornákon keresztül az

extracelluláris térből a sejtbe lépő Ca2+ váltja ki az intracelluláris Ca2+ raktárból

történő Ca2+ mobilizálást.

Az agonisták hatására bekövetkező intracelluláris Ca2+ felszabadulást az IP3 váltja ki

az IP3-receptorcsatornát aktiválva (6.17. ábra).

6.17. ábra. Az IP3-jelátviteli útvonal

Az IP3 két különböző úton metabolizálódik, vagy foszfatázok direkt módon inozitollá

alakítják, vagy első lépésben egy kináz IP4-gyé alakítja és ezt követően az előző esethez

hasonlatosan foszfatázok inozitollá alakítják. Összefoglalásul elmondhatjuk, hogy az IP3

közvetítette folyamatok jelentős része a Ca2+-szint változásán keresztül regulálódik.

A foszfatidilinozitol-4,5-biszfoszfát foszfolipáz C által történő hasításának (IP3

melletti) másik terméke a diacil-glicerol. A diacil-glicerol a sejtmembránban marad és

aktiválja a membrán közelében, de a citoplazmában található protein kináz C-t, ami

ennek hatására membránhoz kötődik. Az aktiválás átmeneti, mivela diacil-glicerol

metabolizmus gyors és a membránban foszfatidsavvá alakul, hogy aztán újra felhasz-

nálódhasson foszfatidil-inozitolok szintézisére.



6.7. A guanilát-cikláz és a cGMP

A cGMP és szerepe kevésbé ismert, mint a rokon vegyület cAMP. Feltehetően ezen

molekula is intracelluláris mediátor szerepét tölti be. A cGMP GTP-ből keletkezik

guanilát-cikláz hatására. Két különböző guanilát-cikláz enzim ismert jelenleg.

1. Az úgy nevezett partikuláris enzim a plazmamembránban található és egyúttal

receptorként is funkcionál. Jelenleg ismert kevés extracelluláris szignáljainak

egyike a pitvari nátriumürítő faktor, mely vazodilatációt, diurézist, nátriurézist és

az aldoszteron szintézis gátlását okozza.

2. A másik ismert enzim a szolubilis guanilát-cikláz, a citoplazmában található. Az

enzim két, egy 77 és egy 70 kDa-os, alegységből álló heterodimer. Fontos

megjegyeznünk, hogy hem prosztetikus csoportot tartalmaz. A NO és minden

olyan anyag, amelyből NO keletkezik, a szolubilis guanilát ciklázt aktiválja. A NO a

hem csoporttal lép reakcióba és nitrozohem képződik, mely hatására az enzim

aktiválódik, ennek hatására pedig megemelkedik a cGMP szintje.

6.7.1. Nitrogén-monoxid

A teljes kép alkotásához feltétlenül szót kell ejtenünk erről a gáz halmazállapotú

szignálmolekuláról. A NO a sejtekben in vivo keletkezik argininből nitrogén-oxid-szintáz

(NOS) hatására. Az enzim konstitutív és indukálható formában fordul elő. A NO a

keletkezés helyéről diffúzióval jut el a környező sejtekhez. Hatásának erőssége és

tartama attól függ, hogy milyen messze diffundál. Féléletideje általában 10-30 sec között

van, mivel a sejtekben és a keringésben gyorsan átalakul.

Az előzőekben ismertetett jelátviteli útvonalak működését egy példán keresztül

érthetjük meg jobban. A példa legyen az érfal simaizom relaxációja NO hatására. Az

endotél sejtek érlumen felöli felszínén különböző extracelluláris szignálok, mint például

acetilkolin, bradikinin, trombin, vagy adenin-nukleotidok dokkolhatnak receptorukon,

amelynek hatására megnő az intracelluláris Ca2+-koncentráció. Ez az emelkedett Ca2+-

koncentráció aktiválja a nitrogén-oxid-szintázt, aminek hatására az argininből NO-t állít

elő. A keletkezett NO átdiffundál a szomszédos simaizom sejtekbe és ott a szolubilis

guanilát-cikláz hem prosztetikus csoportját nitrozo-hemmé alakítja, aminek hatására az

aktiválódik és megemelkedik az intracelluláris cGMP szinte. A megemelkedő cGMP

aktiválja a cGMP-dependens protein kinázt, amely hatására csökken az intracelluláris

Ca2+-szint és ez utóbbi a simaizom sejtek relaxációját (vazodilatációt) eredményezi. Ezen

hatásmechanizmus mentén működik a szívkoszorús erek szűkületében szenvedők által

szedett érfal tágító nitroglicerin tabletta is.


7. Összetett folyamatok szabályozása

A könyv vége felé járva az író megenged magának egy ugyancsak nagyképű hasonlatot.

Ahogy a nagy Jókai megjutalmazza a kitartó olvasót és a kevésbé izgalmas, cselekmény-

dús, de a történet megértése szempontjából nem mellékes, sőt megértéséhez szükséges

leíró részeket követően kibontakozik a valódi eseménysodor, úgy a biokémiai szabá-

lyozási folyamatokban szerepet játszó részegységek kevésbé izgalmas leírását követően

itt az ideje a komplex, rendkívül izgalmas szabályozási útvonalak ismertetésének, a

szabályozási eseménysodor főáramába kerülni.

7.1. Éhezés – jól tápláltság

Arra már korábban is utaltunk, hogy nemcsak a prokarióta élőlények számára fontos a

táplálék megszerzése, a kiegyensúlyozott anyagcsere. Vegyük példának saját magunkat

(rendkívül praktikus biológiai, biokémiai alanyok vagyunk, hisz mindig saját magunk

rendelkezésére állhatunk).

Mi történik, ha felkelést követően elfelejtünk reggelizni, rohanunk az egyetemre és

ott csak később az első órát követően jut időnk a Ch büfé nagyszerű választékából

valamilyen táplálékot magunkhoz venni?

A kérdés megválaszolásához vissza kell nyúlni alap biokémiai ismereteinkhez. A

felkelést követően éhezni fogunk, megvonjuk szervezetünktől az alapvető szén- és ener-

giaforrást, a glükózt. Ekkor tehát a feladat a következő: a glükózt felhasználó folyamatok

(legfőképp a glikolízis) lassítása (gátlása), a glükózt felépítő, eredményező folyamatok

gyorsítása (ezek közül elsősorban a glukoneogenezist és a glikogén mobilizációját érde-

mes megemlíteni). Első körben tehát a glikolízis és a glukoneogenezis, majd a glikogén

felépítés és lebontás szabályozásával érdemes foglalkoznunk a probléma megértéséhez.

7.1.1. A glikolízis – glukoneogenezis szabályozása

Ahogy ezt az előbbiek során megállapítottuk, a glükózt lebontó glikolízis és a glükózt

felépítő glukoneogenezis egymással szorosan összefüggő folyamatok. Tekintve, hogy a

két reakcióút egymás inverze, a szoros kapcsolat megjelenik a közös intermedierek és az

inverz reakciókat katalizáló enzimek révén. Ha belegondolunk, hogy egy glukózmolekula

glikolízis során történő lebontása mindössze 2 ATP molekulát eredményez és egy glukóz

molekula glukoneogenezis során történő felépítése 6 ATP molekulát igényel, be-

láthatjuk, hogy a szervezetünk, (máj)sejtjeink rendkívül logikusan működnek, amennyi-

ben elkerülik a párhuzamos glukóz-lebontó és - felépítő folyamatok működtetését. Így

nem meglepő, hogy az egyik folyamat gátlása egyszersmind a másik folyamat stimu-



lációját eredményezi. Ha csökken a glikolízis sebessége, akkor megnő a glukoneo-

genezisé és vica versa. Mindkét folyamat szabályozása az irreverzibilis lépéseket

katalizáló enzimek aktivitásának befolyásolásán keresztül történik. A glikolízis során

szabályozott enzimek: a hexokináz, a foszfofruktokináz I és a piruvát-kináz. A glukoneo-

genezisben pedig a piruvát-karboxiláz és a fruktóz-1,6-biszfoszfatáz. A folyamatok

szabályozása során három tényező kap fontos szerepet. Ezek közül csak egy lesz az

általunk kiválasztott éhezés – jól tápláltság, de a teljes kép érdekében a másik kettővel is

foglalkozunk.

1. Milyen az adott sejt energiaállapota? Mit is jelent ez pontosan? Tulajdonképpen

ez esetben a sejt ATP-, AMP- és citrát-szintje bír fontos szabályozó szereppel.

Logikus, hogy amennyiben a sejt energetikailag jól töltött, tehát az ATP-szint

magas, akkor ne bontson le több cukormolekulát újabb ATP molekula nyerése

érdekében. Az ATP, így nem meglepő módon allosztérikus gátlószere a glikolízis

legfontosabb szabályozópontját jelentő foszfofruktokináz I enzimnek (7.1. ábra).

Tekintve, hogy a sejtben az ATP szint jelentősen meghaladja az AMP-ét

(ATP>>ADP>>AMP) viszonylag kis relatív ATP szint csökkenés viszonylag nagy

relatív AMP szint emelkedést eredményez. Az AMP viszont allosztérikus

aktivátora a foszfrofruktokináz I enzimnek, ezáltal az AMP szint emelkedése

stimulálja a glikolízist, ezzel egyidejűleg gátolja a glukoneogenezist, mivel az AMP

allosztérikus inhibitora az inverz reakciót katalizáló fruktóz-1,6-biszfoszfatáznak

(7.1. ábra). Az AMP szint emelkedése (ATP szint csökkenése) így biztosítja a

reakciók glikolízis irányába történő eltolását.

A citrát szintén allosztérikusan gátolja a foszfofruktokináz I enzimet (7.1. ábra).

Ezáltal a zsírsavak, vagy ketontestek oxidációja során keletkező citrát glukózt

képes „megmenteni” az igen erős glükóz függésben élő agysejtek számára.

Ugyanakkor a zsírsavak oxidációja során keletkező acetil-KoA allosztérikus

aktivátora a glukoneogenezis első lépését katalizáló piruvát-karboxiláznak, így

serkenti a glukoneogenezist. A piruvát-kináz egyidejű gátlása révén viszont

visszaszorítja a glikolízist (7.1. ábra).

7. Összetett folyamatok szabályozása 105


7.1. ábra. A foszfofruktokináz allosztérikus regulátorai

2. Az intracelluláris pH igen fontos szabályozó szereppel bír, ugyanis a H+-kon-

centráció emelkedése a foszfofruktokináz I gátlását okozza. Az anaerob glikolízis

így a fokozott laktát (H+) felszaporodás révén csökkenti a glikolízis sebességét.

3. Elértünk igazi célunkig, a glikolízis, glukoneogenezis hormonális szabályozásáig.

A szabályozás a biokémiai szabályozások egyik legszebb példája, ugyanis elemei

között szinte minden eddig ismertetésre került részlet megtalálható és mesteri

módon áll össze egy egésszé. A glikolízis és a glukoneogenezis hormonális sza-

bályozásában a glukagon és az inzulin játszik szerepet. Elérkezett az idő, hogy

visszatérjünk főhősünkhöz, a reggelijét nélkülöző egyetemistához. Tekintsük

végig, hogy mi történik a szervezetében! A vércukorszint csökkenés hatására a

hasnyálmirigy -sejtjeiben glukagon választódik el és kerül a vérkeringésbe. Az

extracelluláris szignálmolekula tehát ez esetben a glukagon lesz, amely hét

transzmembrán szegmenssel rendelkező receptorai megtalálhatók a májsejtek

plazmamembránjában. Az éhezés (vércukorszint csökkenés) hatására elválasz-

tásra került glukagon dokkol receptorain, amelyekhez intracellulárisan G-fehér-

jék asszociálnak. A ligandkötés hatására a Gs-alegység ledisszociál a alegysé-

gekről és effektorát, az adenilát ciklázt stimulálja. A stimuláció révén megnövek-

szik az intracelluláris mediátor, a cAMP szintje. A megemelkedett cAMP szint

hatására a cAMP-dependens protein kináz allosztérikusan aktiválódik és

foszforilálni fogja a májsejtekben kifejezésre került szubsztrátjait.



Az első – egyetemistánk szempontjából – említésre érdemes szubsztrátja a

foszfofruktokináz II enzim lesz. A foszfofruktokináz II egy érdekes kettős

funkciójú enzim, amely mind kinázként, mind foszfatázként képes működni. Az,

hogy kinázként, vagy foszfatázként működik, egyedül foszforiláltsági állapotán

múlik (7.2. ábra). Amennyiben az enzim foszforilált állapotban van, foszfatázként

működik és szubsztrátjából a fruktóz-2,6-biszfoszfátból fruktóz-6-foszfátot állít

elő (7.2. ábra). Amennyiben defoszforilált állapotban van, kinázként működik és

szubsztrátjából a fruktóz-6-foszfátból fruktóz-2,6-biszfoszfátot állít elő (7.2.

ábra). A foszfátcsoport okozta térszerkezet váltás tehát egyféle kapcsolóként

működik a foszfatáz és a kinázaktivitás között.

7.2. ábra. A glikolízis/glukogeogenezis hormonális szabályozása: a foszforuktokináz II foszforilációval/defoszforilációval történő szabályozása, a cAMP szint hatása a glikolízis,

glukoneogenezis szabályozására

Lássuk csak, miként kapcsolódik mindez egyetemistánkhoz. Az előzőekben ismer-

tetett mechanizmus révén éhezésben megnő az intracelluláris cAMP szint, ami aktiválja

a cAMP-dependens protein kinázt, amely foszforilálni fogja a foszfofruktokináz II

enzimet, amely ennek hatására foszfatázként fog működni és a fruktóz-2,6-biszfoszfátot

fruktóz-6-foszfáttá és szervetlen foszfáttá hasítja (7.2. ábra). Tehát jelentősen lecsökken

a sejt fruktóz-2,6-biszfoszfát szintje, ami viszont a glikolízis legfontosabb szabályozó-

pontjának, a foszfofruktokináz I enzimnek legfontosabb allosztérikus aktivátora (és az

inverz lépést katalizáló fruktóz-1,6-biszfoszfatáz allosztérikus inhibitora) (7.2. ábra). A

folyamat eredményeként tehát lényegesen lelassul a glikolízis sebessége és meggyorsul



a glukoneogenezisé. A folyamatot kiegészíti, hogy a cAMP dependens protein kináz a

glikolízis utolsó lépését katalizáló enzimet, a piruvát-kinázt is foszforilálja, ami ennek

hatására inaktíválódik.

Mindezen folyamatok hatására főhősünk májsejtjeiben lelassul a glikolízis és

megindul a glükóz de novo szintézise, a glukoneogenezis révén.

7.1.2. A glikogén felépítés – lebontás szabályozása

A glikolízis fékezése és a glukoneogenezis beindítása, stimulálása csak egy módja a

vércukorszint állandó szinten tartásának. Elsősorban a máj- és izomsejtek képesek a

glükózt polimerként, glikogén formájában raktározni. A glikogénben történő raktározás

nagy előnye, hogy igény esetén rendkívül gyorsan glükózként mobilizálható a benne

tárolt glükóz. Hátránya, hogy meglehetősen nagy a helyigénye, jóval nagyobb, mint

amikor a glükózból zsírsavak képződnek és a tárolás lipid formájában történik, viszont

ez utóbbi esetben a mobilizálás során képződő termékek nem glukoplasztikus anyagok,

általuk a vércukorszint nem tartható állandó szinten.

Lássuk csak, hogy egyetemistánk szervezetében miként épül fel a glikogén, miként

bomlik le és hogyan szabályozódik e két folyamat. Jól táplált állapotban, amikor bővében

vagyunk a glükóznak, a sejtbe lépő glükóz glükóz-6-foszfáttá alakul, amelyet a foszfo-

glukomutáz enzim glükóz-1-foszfáttá alakít. A keletkezett glükóz-1-foszfát UTP-vel

(uridil-trifoszfát) aktíválódik az UDP-glükóz-pirofoszforiláz enzim által katalizált reak-

cióban. Az UDP-glükóz képződése mellett pirofoszfát szabadul fel, amely szervetlen

foszfátra hasad, így a reakció során két nagyenergiájú kötés használódik fel, erősen exer-

gonikussá téve azt. A következő lépésben a glikogén-szintáz által katalizált reakcióban

az UDP-glukózról a glikogén láncvégi glukózához kapcsolódik az újabb glükóz molekula,

eggyel megnövelve a glikogénláncot alkotó glükóz molekulák számát. A glikogén-szintáz

egy legalább négy glükózból álló láncot képes csak tovább hosszabbítani. Az első glükóz

molekula egy glikogenin nevű fehérjetirozin oldalláncához kapcsolódik. A glikogén több

ezer kDa molekulatömegű hatalmas polimer számos elágazással. Az elágazásoknak igen

fontos szerepe van, mert általuk egyszerre több glükózszálon tud elindulni a polimer

lebontása, a glükóz molekulák visszanyerése, szükség esetén jelentősen meggyorsítva a

cukorhoz jutás sebességét. A glikogén-szintáz mellett így igen fontos szerepe van a

szintézis során az elágazásokat kialakító glikozil-4-6-transzferáz enzimnek. Amennyiben

egy legalább 11 glükóz egységből álló lánc elkészült, az enzim egy nagyjából 7 glükóz

egységből álló láncrészt áthelyez és 1-6 kötésekkel a glükóz lánchoz kapcsolja.

Az ellentétes folyamatot, a glikogén lebontását, a glikogén-foszforiláz katalizálja. A

reakció szervetlen foszfátot igényel, ugyanis a lehasadó glükóz molekula foszforilálódik

és glükóz-1-foszfátként szabadul fel. Az elágazásokat külön enzim az oligo-6-4-glukán-

transzferáz enzim bontja. A képződött glukóz-1-foszfátból glukóz-6-foszfát lesz, amely

vagy a glikolízisben alakul tovább (izomsejtek esetében), vagy a glükóz-6-foszfatáz által

katalizált reakcióban glükózzá alakul (májsejtek esetében) és a keringésbe kerülve segít

állandó szinten tartani a vércukorszintet.



Ennyi felvezetés után megint csak forduljunk kedvenc éhező egyetemistánk irányába

és nézzük meg, mi történik szervezetében a glikogénnel. A glikogénszintézis és-lebontás

központi enzimei a glikogén-szintáz és a glikogén-foszforiláz. Mindkét enzim aktivitása

foszforiláció/defoszforiláció révén szabályozott. Míg a glikogén-szintáz foszforilált

formában inaktív (defoszforilált formában aktív), addig a glikogén-foszforiláz foszforilált

formában aktív (és defoszforilált formában inaktív). Tehát a foszforiláció (igen ötletes és

logikus módon) ellentétesen befolyásolja a glikogén felépítésért és lebontásért felelős

kulcsenzimeket, biztosítva, hogy egyszerre glikogén felépítés és lebontás ne folyjon a

szervezetünkben (igen hasonlóan a glükóz lebontó és felépítő folyamatokhoz).

Az izom és máj glikogén funkciója eltérő, ennek megfelelően felépítésének és

lebontásának szabályozása is eltérő. Ahogy korábban említettük, az izomglikogén az

izomsejt energiaraktára, amely fokozott izomműködés esetén a megnövekedett energia-

szükségletet hivatott fedezni. Az 1930-as évek második felében Carl és Gerty Cori

felfedezték, hogy a vázizom sejtekben található glikogén-foszforiláz két egymásba

átalakuló formában létezik, a katalitikusan aktív glikogén-foszforiláz a és a kevésbé

aktív glikogén-foszforiláz b formában. Earl Sutherland ezt követő kísérletei

kimutatták, hogy a nyugalomban levő izomban a foszforiláz b dominál, azonban erőteljes

izomműködés során az epinefrin nevű hormon kiváltja a foszforiláz b specifikus szerin

oldalláncának foszforilációját, mely hatására az átalakul az aktív foszforiláz a formába. A

foszforiláz b foszforilálásáért (aktiválásáért) felelős enzim, a foszforiláz b kináz maga is

foszforiláció révén aktiválódik. A foszforiláz b kinázt aktiváló enzim pedig nem lesz más,

mint a már annyit emlegetett cAMP-dependens protein kináz. A cAMP-dependens

protein kináz – ahogy korábban azt már megtanultuk – pedig az emelkedő cAMP szint

hatására aktíválódik. A cAMP szint emelkedését izomsejtekben az epinefrin, máj-

sejtekben pedig a glukagon hét transzmembrán szegmenssel rendelkező receptorához

való kötődése váltja ki, amely aztán egy Gs fehérjén keresztül aktiválja az adenilát-

ciklázt (7.3. ábra).

Az izom- és májglikogén-foszforilázok izoenzimek, melyek különböző gének

termékei és egymástól eltérő módon regulálódnak. Az izomglikogén-foszforiláz kovalens

módosításon (foszforiláción) alapuló szabályozásán kívül még két allosztérikus

szabályozási mechanizmus is befolyásolja aktivitását. A Ca2+, amely az izomkontrakció

kiváltója, képes a foszforiláz b kinázhoz kötődni és aktiválni azt, ezáltal az foszforilálja és

az inaktív foszforiláz b formából az aktív foszforiláz a formába alakítja (7.3. ábra). A Ca2+

a foszforiláz b kináz alegységéhez kapcsolódik, amely nem más, mint a kalmodulin. A

heves izommunka során az ATP lebontásból nagy mennyiségben képződő AMP képes a

foszforilázhoz kötődni, allosztérikus regulátor kötőhelyén keresztül és igen gyorsan

(allosztérikus reguláció) átalakítani azt a jóval aktívabb formájába (7.3. ábra). Megfelelő

ATP szint esetén az ATP képes bekötődni a foszforiláz fehérjére, megakadályozva az

AMP kötődését.

Amikor az izomsejt visszatér nyugalmi helyzetébe, a foszforiláz a foszfatáz, vagy más

néven a foszfoprotein-foszfatáz 1 eltávolítja a foszfatáz a foszfátcsoportját visszaalakítva

a kevésbé aktív foszforiláz b-vé.



7.3. ábra. A glikogénlebontás (felépítés) szabályozása izom- és májsejtekben

Az izom izoformához hasonlatosan a májglikogén-foszforiláz is kettős hormonális és

allosztérikus szabályozás alatt áll. A defoszforilált forma az inaktív ez esetben is. Éhező

egyetemista főhősünk esetében tapasztalható hasonló alacsony vércukorszint esetén a

glukagon (az epinefrinhez hasonlatosan) megemeli a cAMP szintet és az előbb

ismertetett foszforilációs kaszkádon keresztül aktiválja a glikogén-foszforilázt (7.3.

ábra). Amikor a (a Ch büfé áldásos szolgáltatását kihasználva egyetemistánk) vércukor-

értéke újra normalizálódik, a cukor bejut a májsejtekbe és ott a foszforiláz az

allosztérikus inhibíciós helyéhez kapcsolódik, aminek hatására az térszerkezetet vált és

a szerin oldalláncon foszforilált foszforiláz a a foszfatáz szubsztrátja lesz, amely

eredményeként az eltávolítja a foszfátcsoportot és ezáltal inaktiválja azt. A glikogén-

foszforiláz allosztérikus glükóz kötőhelye révén egyféle glükóz szenzormolekulaként

működik, a vércukorszintnek megfelelően szabályozza aktivitását.



A glikogén-szintáz regulációja ezzel pont ellentétes. Az aktív enzim a defoszforilált

állapotú glikogén-szintáz a. A cAMP és kalmodulin-dependens protein kinázok hatására

foszforilálódik és a kevésbé aktív glikogén-szintáz b-vé alakul. Aktív állapotba (a

glikogén-foszforilázt is defoszforiláló, ezáltal inaktíváló) foszfoprotein-foszfatáz 1 által

katalizált defoszforáláció által kerül. A foszfoprotein-foszfatáz aktvitását a glikogén-

foszforiláz a gátolja. A foszforiláz a foszforiláz b-vé történő átalakulással a gátló hatás is

kiesik, így a glukózszint növekedésével nem csak a glikogénlebontás csökken, de megnő

a szintézis jelentősége is. A glikogén-szintáz b defoszforilációját a vércukorszint

emelkedéssel megemelkedő inzulinszint serkenti. Ez a szabályozás tehát biztosítja, hogy

egyszerre ne történjen teles intenzitású glikogénszintézis és lebontás.

Most már mindannyian belegondolhatunk, hogy mi is történik éhező, majd jóllakott,

fizikai aktivitást végző, majd pihenő egyetemista főhősünk izom- és májsejtjeiben.

7.2. Programozott sejthalál: Apoptózis

Talán első alkalommal a fejezet címére pillantva mindenkit rossz érzés kerít hatalmába,

de megígérjük, ez nem lesz tartós. Kezdjük is a jobb kedvre derítést a programozott

sejthalál nélkülözhetetlen, élethez szükséges funkcióinak áttekintésével:

1. A többsejtű élőlényekre mint egy jól szervezett közösségre gondolhatunk. Ebben

a jól szervezett közösségben a sejtek száma szigorúan szabályozott. Amennyi-

ben egy sejtre már nincs többé szükség, az öngyilkosságot követ el, aktiválva egy

intracelluláris halálprogramot. Éppen ezért nevezik ezt a folyamatot progra-

mozott sejthalálnak, apoptózisnak, amely egy görög szó és annyit tesz, hogy

„lehull”, utalva a falevelek lehullására, amely azért is találó, mert a leveleket tartó

száracska sejtjei is apoptózissal halnak el minden ősszel a falevelek lehullásakor.

Tehát a celluláris turnover, amely szükséges a folytonos megújuláshoz, az

osztódás/sejthalál egyensúlyának megtartásához nélkülözhetetlen folyamat. Erre

jó példát szolgáltathat a májsejtek számának szabályozása: amennyiben (külö-

nösen, ha induktív hatású) gyógyszert kezdünk el szedni, a májsejtek száma

megnő, alkalmazkodva a fokozott biotranszformációs igényhez, azonban ha a

gyógyszer szedését befejezzük, a májsejtek számának vissza kell térnie a kiindu-

lás körüli szintre. Ez utóbbi folyamatot programozott sejthalál (apoptózis) révén

oldja meg szervezetünk.

2. Igen fontos a nem megfelelően differenciálódott, vagy feleslegben lévő sejtek

eltávolításához is. A szervezetében meglepően nagy méretet is ölthet az apotózis

révén eltávolításra kerülő sejtek száma. Egy egészséges felnőtt szervezetében

sejtek milliárdjai pusztulnak el a csontvelőben és a bélrendszerben minden egyes

órában.

3. Nélkülözhetetlen szerepet tölt be az egyedfejlődés során is. Tulajdonképpen a

szervezetünk, mint egy „szobrász”, az apoptózist egyféle molekuláris „vésőként”

használja. Erre igen jó példa az egérmancs kialakulása, ahol az eredetileg



úszóhártya-szerű képződményeket, amelyek összekötik az egérmancs ujjacskáit,

apoptózissal „faragja” le a szervezet. Szintén az apoptotikus „véső” áll az ebihal-

béka átalakulás, az ebihalra jellemző képletek eltűnésének hátterében. A fejlődő

szervezet idegrendszerében az idegsejtek több mint a fele nem sokkal megszü-

letésüket követően elhalálozik.

4. Számos esetben a sejtek funkciójukat csak apoptózisukat követően tudják

betölteni. Ilyen funkcióhoz kötött sejtelhalás történik például a szemlencse sejtek

esetében a látás folyamatában, vagy a bőr külső felszínét alkotó sejtmag és

organellum vesztett sejtek esetében, amelyek a mechanikai védelemért felelősek.

5. Enyhébb sejtkárosító tényezők is kiválthatják. Ez esetben a későbbi, súlyosabb

következmények elkerülése végett kerül sor az apotózisra, például vírus-

fertőzött vagy malignusan transzformált sejtek esetében.

A sejthalál két fő formája, a szép és a csúnya halál: apoptózis vs nekrózis

Az apoptózis szó jelentése, bár utal az elmúlásra, azt könnyedén, kíméletesen teszi, hisz

a falevelek lehullása az élet természetes és nem egyértelműen szomorú velejárója.

Apoptózis során egy program szerint, különböző stációk során szépen lebontja, majd

összecsomagolja magát a halálra elszánt sejt, anélkül, hogy a többi, körülötte levő

sejtnek bármiféle baja esnék. Nézzük végig, milyen stációkon megy keresztül apoptózisa

során a sejt.

A sejt elkezd zsugorodni, ehhez nagymértékben hozzájárul a citoszkeleton kollapszu-

sa, a citoszkeletális fehérjék lebontása. A felszíne felhólyagosodik (blebbing), a sejtmag

kisebbedik, a kromatinállománya kondenzálódik, gyakorlatilag a nukleázok felszeletelik

a DNS állományt. A sejtmaghártya redőződik, majd feltöredezik. A nukleáris lamin is

hidrolízisre kerül. Nagyon fontos megjegyeznünk, hogy mindezen folyamatok közben a

sejtmembrán végig sértetlen és az organellum membránok is épen maradnak. Végül a

sejt sejtmembránnal határolt apoptotikus testekre esik szét. ezeket az apoptotikus

testeket makrofágok és a szomszédos sejtek veszik fel, kebelezik be (7.4. ábra).

A sejtmembrán végig ép marad, makromolekulák nem jutnak ki az interstíciális

térbe, így gyulladásos reakció sem indul be, a környező sejteket semmilyen inzultus sem

éri az apoptotizáló sejt részéről. A környező sejtek épen maradnak, az apoptózis

tipikusan egy sejtre terjed ki, egy sejtet, különálló sejteket érintő folyamat (ez termé-

szetesen nem zárja ki, hogy tömeges legyen, de a sejtek egyenként esnek át rajta).

Az apoptózis tehát egy aktív, energiaigényes (a program végrehajtása, a sejtszervezet

„szétszerelése” energiát igényel), gyorsan (néhány óra alatt), csendesen (gyulladás-

mentesen) lezajló folyamat. Nevezhetjük szép halálnak.

Ezzel szemben a nekrózis a csúnya halál. Ezt már előrevetíti nevének eredete is,

hisz a görög nekrosz szóból ered, ami halott, megöl, pusztulás, megölés jelentéssel bír. A

nekrózis mindig patológiás folyamat (ellentétben a számos fiziológiás példát

felvonultató apoptózissal szemben). Általában erőteljesebb behatások váltják ki az

igen erőteljes, tömeges sejtpusztulást. Tipikusan nekrotikus sejthalállal halnak el

sejtjeink, ha mondjuk egy jó nagyot rásózunk a kézfejünkre kalapáccsal, vagy ha tömény



lúgba mártjuk kezünket, más testrészünket, de nekrotikus sejthalált halnak szív- vagy

agysejtjeink is egy esetleges isémia kapcsán.

Az előző példával ellentétben a nekrózist a sejt, a sejtmag, az organellumok

duzzadása, a lizoszómák felnyílása és az egész sejt kontrollálatlan szétesése jellemzi.

Ennek következtében a sejt tartalma kiáramlik az interstíciális térbe és ott gyulladásos

reakciókat vált ki, amely a többi környező sejtet is károsítja (7.4. ábra).

7.4. ábra. A nekrótikus és az apoptotikus sejthalál közötti morfológiai és folyamatbeli különbségek

Már igen korán megfigyelték, hogy a különböző sejttípusok igen sztereotip

morfológiai változásokon (melyek hátterében a korábban ismertetett folyamatok állnak)

esnek át apoptózisuk során. Mindez arra utalt, hogy konzervatív biokémiai változások és

apparátus áll a háttérben.



A morfológiai és sejtbiológiai történésekben főszerepet játszik egy proteáz család,

amelyek aktív helyükben cisztein tartalmaznak és szubsztrát fehérjéiket specifikus

helyen előforduló aszpartát oldalláncaik mellett hasítják. Elnevezésük is erre a két

dologra utal: kaszpázok (cysteinyl aspartate specific protease: caspase). A kaszpázok,

előalakként prokaszpáz formában termelődnek és tulajdonképpen minden sejtben

megtalálhatóak, magukban hordozva a sejt öngyilkos gépezetét. Aktiválódásuk limitált

proteolízissel történik (lásd 3.3 fejezet), amely folyamat során egy kis és egy nagy

alegységre hasadnak, létrehozva a két aktív centrummal rendelkező a2b2 hetero-

tetramert. Tekintve, hogy a kaszpázok több lépcsőben egymás hasítására is képesek, ez a

jel kaszkád-szerű erősítésével jár együtt (7.5. ábra). Emlős sejtekben ezidáig 14

különböző kaszpázt írtak le, melyek közül emberben 11 fordul elő (kaszpáz 1-10 és 14).

A kaszpázokat funkciójuk alapján két nagy csoportba sorolhatjuk:

1. Citokin aktivátor gyulladásos kaszpázok. Ebbe a csoportba tartozik a kaszpáz

1, 4, 5, 11.

2. Sejthalál-apoptotikus kaszpázok. Ebbe a csoportba tartozik a kaszpáz 2, 3, 6, 7,

8, 9, 10, 12.

A sejthalál-apoptotikuskaszpázokat N-terminális prodoménje és a programozott

sejthalál folyamatában betöltött szerepe alapján szintén két alcsoportra oszthatjuk:

1. Effektorkaszpázok: Ezen kaszpázok hasítják a celluláris célmolekulák jelentős

részét, rövid N-terminális doménnel rendelkeznek. Ide tartozik a kaszpáz 3, 6, 7.

2. Iniciátorkaszpázok. Ezen kaszpázok aktiválják az effektor kaszpázokat, hosszú

N-terminális doménnel rendelkeznek. Ez az úgy nevezett homofil interakciós

domén, amely révén adaptorfehérjék hasonló doménjével képes kapcsolatba

lépni. Ezen fehérje-fehérje kapcsolatok révén jön létre az apoptoszóma. Az

iniciátor kaszpázok ezekben a komplexekben aktiválódnak konformáció

változásuk következtében.

Az effektor kaszpázokat, nemcsak az iniciátor kaszpázok, hanem más proteázok is

képesek aktiválni, mint például a katepszinek, kalpainok, granzimok. Az aktivált kasz-

pázok jelenlegi ismereteink szerint ezt követően mintegy 300 ismert magi, citoszolban

található fehérjét hasítanak. Az apoptotikus morfológiai változások hátterében ezen

proteolítikus események állnak. Így például a kaszpáz aktiválta DNáz (CAD) felelős a

DNS fragmentációért. A sejtalak megváltozásának hátterében pedig az aktin, spektrin,

citokeratinek, a vimentin, fodrin hasítása áll. A nukleáris laminok hidrolízise pedig a

sejtmag zsugorodásához vezet.

Természetesen a kaszpáz aktivitás szigorú kontroll alatt áll, a kaszpázokat különböző

fehérjék, mechanizmusok tartják féken. Ilyen apoptózis-inhibitorfehérjék az IAP

(inhibitor of apoptozis protein) család tagjai: XIAP, c-IAP1, c-IAP2, survivin, livin és a

többiek. A család tagjai kaszpáz 3, 7, 9 gátló hatással bírnak. Minden egyes családtag



rendelkezik egy BIR doménnel, amely révén kapcsolódnak a kaszpázokhoz és gátolják

azokat. A család néhány tagja rendelkezik egy RING-finger motívummal, egy cink ujj

doménnel, amely révén ubikvitin-konjugáló enzimet vonzanak és az ubikvitinálja a

kaszpázokat.

A sejthalál folyamatáról önálló könyvek születnek, természetesen jelen fejezetben

csak a legfontosabb mozzanatokra, a fő irányvonalakra térhetünk ki. A következőkben

szeretnénk felvázolni a programozott sejthalál két főbb útvonalát, az extrinszik,

(külsődleges) és az intracelluláris, intrinszik útvonal legfőbb történéseit.

A korábbiaknak megfelelően a prokaszpáz aktiváció folyamatában fontos szerepet

kapnak az adaptor fehérjék, amelyek segítenek összegyűjteni és aktív konformációba

hozni az iniciátor prokaszpázokat.

A sejten kívüli prokaszpáz aktivációra igen kiváló példa a killer limfociták által

iniciált sejthalál. A killer limfociták képesek azáltal sejthalált előidézni, hogy egy Fas

ligand nevű fehérjét prezentálnak, amely képes a célsejtek felszínén található

halálreceptor fehérjéhez, a Fas-hoz kötődni (7.5. ábra). Az ily módon klaszterekbe

tömörült Fas fehérjék intracellulárisan adaptor fehérjéket kötnek, amelyek kötik a

prokaszpáz 8 molekulákat. Ezek térszerkezet-változásuk következtében hasítják,

aktiválják egymást. Az ily módon aktiválódott kaszpáz 8 molekulák ezt követően hasítják

az effektor kaszpázaikat és apoptózist indukálnak (7.5. ábra). Néhány esetben a

stresszelt, vagy sérült sejtek mind a Fas ligand, mind a Fas fehérje előállítására képesek,

ily módon elindítva az intracelluláris kaszpáz kaszkádot.

7.5. ábra. A halálligandon – halálreceptoron– keresztül bonyolódó külsődleges (extrinszik), illetve a mitokondrium külső membrán sérülésén, a citokrom c felszabadulásán keresztül

zajló, belsődleges (intrinszik) apoptotikus útvonalak



A stresszelt és károsodott sejtek esetében legjobban ismert intracelluláris apoptózis

útvonal a mitokondriumból kiinduló programozott sejthalál folyamata. A sérült,

stresszelt fehérjék mitokondriumának külső membránrepedését követően az

elektronátvitelben szerepet játszó fehérje, a citokróm c kikerül a citoplazmába, ahol

az Apaf-1 adaptorfehérjéhez köt és aktiválja azt; az ily módon létrejött Apaf-1

klaszterhez köt a prokaszpáz 9. A prokaszpáz aktivációja indítja el a további effektor

kaszpáz aktivációt. Az apoptózis legtöbb formája esetén találkozunk ezen mitokondriális

prokaszpáz aktivációval, amely nagymértékben hozzájárul a kaszpáz kaszkád

elindításához, gyorsításához és felerősítéséhez.

7.3. Sérült fehérjeválasz (UPR) az endoplazmás retikulumban

A transzláció során szintetizált fehérjeláncok jelentős része további reakciók tárgya lesz,

hogy elnyerje végső, biológiailag aktív formáját. Ezeket a transzlációt követő,

fehérjeláncot érintő reakciókat összefoglalóan poszttranszlációs módosulásoknak

nevezzük. Poszttranszlációs módosulásokon mind a prokarióta, mind az eukarióta sejtek

fehérjéi keresztülmennek.

Csak felsorolásképp néhány folyamatot ragadjunk ki: egyes fehérjék szerin, treonin

és tirozin részletei foszforilálódnak (kofaktorként ATP-t igényelve); több véralvadási

faktor aszpartát és glutamát részletei további karboxil-csoportokkal egészülnek ki

(kofaktorként K-vitamint igényelve); izomfehérjék és a citokróm c lizin részletei

metilálódhatnak (kofaktorként N-adenozil-metionint igényelve). A kollagének fő

szerkezetalkotója a hidroxi-prolin, aszkorbinsavat igénylő folyamat során jut hozzá

hidroxil csoportjához. A glikoproteinekre is poszttranszlációs módosulásuk során kerül

fel szénhidrát oldalláncuk. Több bakteriális és eukarióta fehérje igényel aktivitásához

kovalensen kötött prosztetikus csoportot. Ezen csoportok is a fehérjelánc riboszómáról

történő távozásakor épülnek be. Példaként említhetjük a kovalensen kötött biotint az

acetil-CoA karboxiláz esetében, valamint a hem csoportot a citokróm c esetében.

Az exportra kerülő fehérjékben gyakran alakulnak ki kovalens diszulfid kötések,

láncközi és láncok közötti cisztein részletek, között natív konformációjuk kialakulásakor.

Az így kialakult diszulfid kötések segítenek a natív fehérjeszerkezet megőrzésében az

intracelluláristól oly különböző viszonyok között.

A fehérjék foldingjában résztvevő sejtszervecskékben olyan adaptációs mechaniz-

musok, programok működnek, amelyek lehetővé teszik a nem megfelelő módon feltekert

fehérjék detektálását, illetve a sérült, nem megfelelő térszerkezettel rendelkező fehérjék

korrekcióját. Az endoplazmás retikulum lumenében zajlik a sejtfelszíni, illetve a szek-

récióra szánt fehérjék poszt-transzlációs módosítása, foldingja. Az endoplazmás retiku-

lum fehérje minőségi kontrollgépezete a folding útvonalakkal szorosan együttműködve,

igen szelektíven azon őrködik, hogy az egész kismértékű elváltozásokat, a folding

apparátus enyhe hatásfokzavarait is érzékelje. Az érzékelés eredményeként a naszcens

fehérjéket mint tévesen feltekert fehérjéket minősíti, ennek következtében akkumulálja,



illetve lebontja. Így nem meglepő, hogy az endoplazmás retikulum olyan fehérjéket is

tartalmaz, amelyek elsődleges feladata, hogy a tévesen feltekert, sérült térszerkezetű

fehérjéket detektálja és olyan génexpressziós változásokat indítson el, amely komoly

hatással van az endoplazmás retikulum foldingkapacitására. Az endoplazmás retikulum

stresszre adott válasz jó modellként szolgát egyrészt arra, hogy megértsük, mi módon

érzékeli a stresszt az organellum, másrészt arra is, hogy egy adott organellum

homeosztázisának felborulása miként hat ki szerteágazó módon a sejt különböző

funkcióira, mint a génexpresszió, metabolizmus, jelátvitel és az apoptózis.

Az endoplazmás retikulumban felgyűlt sérült szerkezetű fehérjék egy koordinált

adaptációs programot indítanak el a sejtben, ez a sérült fehérjeválasz (az unfolded

protein response: UPR). A sérült fehérjeválasz során a sejt csökkenteni igyekszik a

stresszt azáltal, hogy a fehérjefolding és degradáció folyamatait erősíti (ezekben a

folyamatokban részt vevő fehérjék kifejezését, szintézisét fokozza), valamint igyekszik

csökkenteni a fehérjefolding apparátusra nehezedő nyomást oly módon, hogy az

általános fehérjeszintézist gátolja.

Lássuk csak, mely folyamatok befolyásolják a fehérjeszintézist! Ezek között akad

fiziológiás és patológiás folyamat egyaránt.

7.6. ábra. Az endoplazmás retikulum stresszt és a következményes sérült fehérjeválaszt kiváltó különböző fiziológiás, patológiás, illetve kísérleti tényezők

Az endoplazmás retikulumban folyó fehérjefolding bármilyen zavara kiváltja a sérült

fehérjeválaszt (7.6. ábra). Ezek között számos fiziológiás, normális történés is akad, ilyen

például a professzionális szekréciós sejtek, mint az inzulintermelő béta és a plazma-

sejtek kifejlődése, differenciációja. De kiváltó ok lehet a megváltozó helyzet, mint a

glükózhiány, vagy a homociszteinémia és az isémia. Kiválthatja a szekréciós, vagy

transzmembrán fehérjék génjében bekövetkező mutáció (amelyek praktikusan az endo-



plazmás retikulumban érnek). Ide tartoznak például asa-1 antitripszin, az inzulin is.

Kiválthatja patogénfertőzés, mint például a hepatitisz C vírus, de kiváltható különböző

kísérleti ágensekkel is. Az endoplazmás retikulumban végbemenő N-glikoziláció gátlása,

az endoplazmás retikulum Ca2+ raktárainak kiürülése, a reduktív stressz, illetve néhány

mutáns, vagy akár vad típusú szekréciós vagy transzmembrán fehérje expressziója is

kiválthatja a folding útvonal (túl)telítését és eldugíthatja az endoplazmás retikulum

lumenét.

Jelenlegi tudásunk szerint három endoplazmás retikulum rezidens fehérje látja el az

endoplazmás retikulum stressz szenzor feladatkörét. Ezek az IRE1 ( és ), amely egy

kináz és endoribonukleáz, a PERK, amely egy kináz és a bázikus leucin cipzár

transzkripciós faktor ATF6 (7.7. ábra).

Mind a PERK, mind az IRE1 ( és ) rendelkezik egy citoplazmatikus szerin/treonin-

kináz doménnel. Az endoplazmás retikulum stressz luminális domén vezérelt homo-

dimerizációt, autofoszforilációt és aktiválódást idéz elő (7.7. ábra). A sérült fehérjék

endoplazmás retikulumban történő felszaporodása hatására az ATF6 a Golgi komplexbe

kerül, ahol az S1P és S2P proteázok hatására elhasad. A proteolízis egy szabad

citoplazmatikus domént eredményez, amely tulajdonképpen egy aktív transzkripciós

faktor (7.7. ábra). A három fehérjemolekula aktiválódásának eredményeként fokozódik

a szekréciós útvonal génjeinek expressziója, így megnő az endoplazmás retikulum

rezidens dajkafehérjék, illetve az endoplazmás retikulum asszociált fehérjedegradá-

cióban résztvevő fehérjék mennyisége. Ezzel párhuzamosan leszabályozódik a fehérje-

szintézis, csökkentve az endoplazmás retikulumra nehezedő folding nyomást.

7.7. ábra. A sérült fehérjeválasz folyamatai



Tekintsük végig, hogy az egyes stressz szenzor molekulák mely történésekért és mi

módon felelősek. Az ATF6 által szabályozott gének átírása akkor növekszik meg, amikor

az ATF6 citoplazmatikus doménje a sejtmagba kerül (7.7. ábra). Az IRE1 génexpressziót

fokozó hatása oly módon érvényesül, hogy az aktív fehérje endoribonukleáz doménje, az

X-box binding protein (XBP1) gén, mRNS-ből kihasít egy 26 nukleotid hosszú részletet.

Ez a hasítás egy transzlációs frameshiftet eredményez, amelynek hatására létrejön az

XBP1 transzkripciós faktor (7.7. ábra). Ez utóbbi transzkripciós faktor a sejtmagba

kerülve fokozza a degradációban részt vevő fehérjék kifejeződését. A PERK aktivációja

az eIF2 transzlációs iniciációs faktor α-alegységének foszforilációját eredményezi,

amely gátolja a funkcióképes 80S riboszóma összeszerelését. A folyamat végeredménye

így a fehérjeszintézis általános gátlása lesz.

A nem stresszelt sejtekben mindhárom fehérje a BiP dajkafehérjével asszociáltan

található meg. Az IRE1 és az ATF6 kötőhelye már ismert, a PERK BiP kötőhelye még

ismeretlen, de az IRE1-hez igen hasonló részlet található ezen molekulában is. A BiP-hez

történő asszociáció (normális esetben) bent tartja az ATF6 molekulát az endoplazmás

retikulum lumenében, így nem hasadhat és viselkedhet transzkripciós faktorként

(magyarul inaktív). Az IRE1 és a PERK pedig a dimerizálódásért felelős doménjével

kapcsolódik a BiP-hez, tehát ezen fehérjék is dimerizálódásra képtelenek, azaz

aktiválódásra képtelenek lesznek, amennyiben BiP-hez kötődnek. A BiP azon régiója,

amellyel az IRE1-hez és a PERK-hez kötődik, pedig nem más, mint amellyel a sérült

fehérjék hidrofób régiójához kötődik.

Az UPR aktivációjának folyamata ezek szerint a következőképpen képzelhető el: a

sejt normális – nem stresszelt – állapotában a BiP (az endoplazmás retikulumban

legnagyobb mennyiségben előforduló dajkafehérje) az ATF6-hoz, az IRE1-hez és a

PERK-hez kötődik. Amennyiben az endoplazmás retikulumban felszaporodnak a sérült,

helytelen térszerkezetű fehérjék, akkor ezen fehérjék hidrofób részeihez kötődik és

szabadon hagyja a három szenzormolekulát. A szabaddá vált szenzormolekulák közül az

ATF6 a Golgi apparátusba kerül, ahol a proteázok által vágódik, aktiválódik. Az IRE1 és a

PERK szabaddá válnak és dimerizálódnak, majd autofoszforilálódnak és így ők is

aktiválódnak.

Egyelőre megválaszolásra váró kérdés, hogy a három szenzormolekula által vezérelt

folyamatok kizárólag egymással párhuzamosan, vagy egymástól függetlenül is

végbemennek-e? A kísérletes stressz mindig igen jelentős mennyiségű sérült fehérjét

eredményez, így igen nehezen vizsgálható a független aktiválódás kérdésköre.

Sérült fehérjeválasz és apoptózis

A sejt az UPR összehangolt folyamatai révén igyekszik megbirkózni az endoplazmás

retikulum stresszel, azonban egy bizonyos szint felett erre képtelen lesz. Ekkor beindul a

programozott sejthalál, az endoplazmás retikulum stressz kiváltotta apoptózis folya-

mata. Az endoplazmás retikulum specifikus kaszpáz 12 képes in vitro a citokróm c-től

és az Apaf-1-től függetlenül aktiválni a kaszpáz 9-et. A kaszpáz 12 az IRE1 és az

adaptorfehérje TRAF2-vel kialakított kapcsolat révén az endoplazmás retikulum

membránjánál található. Az endoplazmás retikulum stressz hatására a TRAF2 disszo-



ciál a kaszpáz 12-ről, amely folyamatot a kaszpáz dimerizációja és aktiválódása követ

(7.8. ábra). A kaszpáz 12 UPR mediálta apoptózisban betöltött szerepét megerősítette,

hogy a kaszpáz 12 dupla hiánymutáns sejtek valamelyest rezisztensek voltak az endo-

plazmás retikulum stressz kiváltotta apoptózisra. A teljes képhez azonban hozzátartozik,

hogy a sejtek nem mutattak teljes mértékű endoplazmás retikulum stressz kiváltotta

apoptózis rezisztenciát, amely alapján azt valószínűsíthetjük, hogy, kompenzálva a

kaszpáz 12 hiányát, más jelátviteli útvonalak is hozzájárulhatnak az apoptózis kivál-

tásához.

7.8. ábra. Az endoplazmás retikulum kiváltotta UPR, illetve az UPR elbukását követő endoplazmás retikulum eredetű apoptózis folyamata

Az endoplazmás retikulum, a mitokondrium és a citoplazma Ca2+ koncentrá-

ciójának befolyásolása is feltehetően egy apoptózis-kiváltó jel lehet (7.8. ábra). A

Ca2+szint befolyásoló szerepét aláhúzza az a megfigyelés is, mely szerint a kaszpáz 12

aktivációja szintén bekövetkezhet a Ca2+-dependens proteáz kalpain általi hasítása

révén is. Az endoplazmás retikulumból történő Ca2+ kiáramlást követően igen gyorsan

bekövetkezik a Ca2+ mitokondriális felvétele, melyben különösen a mitokondrium azon

részei játszanak szerepet, amelyek szorosan és stabilan asszociálnak az endoplazmás

retikulum membránnal. A Ca2+ mitokondriális felvétele a mitokondriális membrán-

potenciál kollapszusához és így a mitokondriális citokróm c felszabadulásához, az

intrinszik apoptotikus (erősítő) útvonal beindulásához vezethet.


Utószó

A Biokémia II. – Biokémiai szabályozás című tankönyvet igyekeztünk a legújabb

kísérletes bizonyítékok felhasználásával, de érdekes, a mindennapi életből vett példákra

alapozva elkészíteni. Célunk az volt, hogy az olvasó felejtse el, hogy egy tankönyvet tart a

kezében, és észrevétlenül merüljön el a sejtben, kísérje nyomon az izgalmas biokémiai

szabályozási folyamatokat. Reméljük, hogy izgalmas kalandokban volt része és

észrevétlenül a tudás birtokába is került. Ha így van elértük célunkat.

A tankönyv a leggondosabb írás és többszöri korrektúrát, lektorálást követően is

tartalmazhat hibákat. Ezúton arra szeretném kérni az olvasót, amennyiben hibát észlel,

vagy bármilyen javaslata, észrevétele van a tankönyvvel kapcsolatban, tegye azt meg a

következő e-mail címen: [email protected].

Köszönettel,

Szarka András

Budapest, 2013. nyár


Ábraanyag

A tankönyv ábraanyagát két részre oszthatjuk. Az első rész saját készítésű ábrákból áll. A

második részbe tartozó ábrák, az interneten fellelhető ábraanyag direkt, vagy azok

átalakított változatának felhasználásai. Ez utóbbi csoportba tartozó ábrák listája az

eredeti linkkel együtt a következőkben található. A linkeket első ízben 2013. július,

augusztus hónapban töltöttük le, majd ellőrzés céljából 2014. január 21-én.

Internetes forrású ábrajegyzék

2.4. ábra. Az enzimek legfontosabb katalitikus stratégiái

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26911/figure/A483/?report=objectonly

2.5. ábra. A lizozim katalitikus mechanizmusa

http://www.bio.miami.edu/tom/courses/protected/ECB/CH05/5_28.jpg

3.1. A sejtben folyó biokémiai reakciók összessége

http://biochemicalpathwayswallchart.blogspot.hu/2010/10/roche-biochemical-

pathways-wall-chart.html

3.2. ábra. Feed-back gátlás. A metabolikus út egy korai szakaszán található enzimet a

metabolikus út egy későbbi szakaszának terméke gátolja


3.3. ábra. Többszörösen elágazó (aminosav) metabolikus út szabályozása feed-back

gátlással


3.4. ábra. Pozitív allosztérikus reguláció


3.5. ábra. Negatív allosztérikus reguláció


3.6. ábra. Egy- és több alegységes enzimek inhibitor koncentráció – relatív

enzimaktivitás összefüggése



http://www.bio.miami.edu/tom/courses/protected/ECB/CH05/5_28.jpg

http://biochemicalpathwayswallchart.blogspot.hu/2010/10/roche-biochemical-pathways-wall-chart.html

http://biochemicalpathwayswallchart.blogspot.hu/2010/10/roche-biochemical-pathways-wall-chart.html








3.7. ábra. Két azonos alegységből álló enzim kooperatív-allosztérikus átmenete


3.8. ábra.A mioglobin monomer szerkezete

http://www.fizyka.umk.pl/~wiesiek/HEMOHIS.JPG

3.9. ábra.A hemoglobin tetramer szerkezete

http://www.baileybio.com/plogger/?level=picture&id=490

3.15. ábra. Fehérje foszforiláció/defoszforiláció


3. 17. ábra. Proteinkináz háromdimenziós szerkezete


3.19. ábra. Fehérjék aktivitásának befolyásolása foszforilációval/defoszforilációva


4.1. ábra. Fehérjék transzlációjával párhuzamosan zajló folding


4.2. ábra.A hsp70-család munka közben


4.3. ábra. A hsp60 család szerkezeti felépítése és működése


4.5. ábra. A proteaszóma felépítése

http://www.nature.com/nrm/journal/v6/n1/box/nrm1552_BX3.html

4.7. ábra. A fehérjék ubikvitinációja


4.8. ábra. Az ubikvitin-ligáz szabályozása


4.9. ábra. Degradációs szignálok kialakulása


5.2. ábra. A sejtdifferenciáció a génexpresszió megváltozása, nem a

nukleotidszekvenciáé.


5.4. ábra. A DNS-kötő fehérjék kapcsolódási helye a DNS-molekula külső felszínén



http://www.fizyka.umk.pl/~wiesiek/HEMOHIS.JPG

http://www.baileybio.com/plogger/?level=picture&id=490







http://www.nature.com/nrm/journal/v6/n1/box/nrm1552_BX3.html






Ábraanyag 123


5.7. ábra. A szimmetrikus DNS-regulációs szekvencia és hozzá kötődő DNS-felismerő

fehérje dimer


5.10. ábra. A leucin-cipzár fehérjerészlet szerkezete és kötődése a DNS-hez


5.11. ábra. A hélix-loop-hélix fehérjerészlet szerkezete és kapcsolódása a DNS-hez


5.12. ábra. Hélix-loop-hélix fehérjerészlet aktivitásának szabályozása

heterodimerizációval


5.13. ábra.A gél mobility shift assay (electrophoretic mobility shift assay, EMSA)

működési elve


5.14. ábra. A triptofán operon elemei


5.15. ábra. A transzkripció lépései


5.16. ábra. A triptofán-represszor fehérje működése


5.17. ábra. A triptofán-represszor fehérje szerkezetének és DNS-kötő képességének

megváltozása a két bekötődő triptofánmolekula hatására


5.18. ábra. A lac-operon kettős szabályozása a lac-represszor fehérje, illetve a CAP–

cAMP-komplex által


5.20. ábra. Az eukarióta gén szabályozási régiójának elemei


5.21. ábra. Nukleoszóma-remodellezés


5.22. ábra. Kovalens hisztonmódosítás

















5.23. ábra. A szabályozó fehérjeelemek összeszerelődése különböző funkciójú

regulátorkomplexekké a DNS felületén


5.24. ábra. Az enhanszoszóma felépítése


5.25. ábra. Az inzulátorszekvenciák elhelyezkedése és funkciója


5.26. ábra. Az X-kromoszóma inaktiválódása (kondenzálódása) a női embrionális testi

sejtekben


5.27. ábra. Az X-kromoszóma inaktiválódásának mechanizmusa


5.28. ábra. A DNS-metiláció mechanizmusa, a fenntartó metilázok működése


5.29. ábra. A genomi lenyomat hatása a génexpresszióra


5.30. ábra. Az Igf2-gén metilációs lenyomata


6.1. ábra. A celluláris jelátvitel szintjei


6.2. ábra. Sejtfelszíni receptorok


6.3. ábra. Intracelluláris magreceptorok


6.4. ábra. A szignálmolekulák hatótávolsága


6.5. ábra. Az extracelluláris jelre adott válasz természete, reakcióideje

http://www.ebookfiles.org/molecular-biology-of-the-cell-5th-edition-pdf-free-full-

download/

6.7. ábra. A G-fehérje mint jelátviteli kapcsoló

http://www.ebookfiles.org/molecular-biology-of-the-cell-5th-edition-pdf-free-full-

download/













http://www.ebookfiles.org/molecular-biology-of-the-cell-5th-edition-pdf-free-full-download/




Ábraanyag 125


6.8. ábra. A G-fehérjék szerkezeti felépítése


6.9. ábra. A G-fehérjék működés közben


6.14. ábra. A cAMP-mediátorrendszer működés közben


6.15. ábra. A cAMP-dependens protein kináz (PKA) szerepe a génszintű szabályozásban


6.16. ábra. A foszfolipáz-C aktiválása és működése


6.17. ábra. Az IP3-jelátviteli útvonal


7.4. ábra. A nekrotikus és az apoptotikus sejthalál közötti morfológiai és folyamatbeli

különbségek

http://www.springerimages.com/Images/RSS/1-10.1007_s10103-009-0723-y-0

7.5. ábra. A halálligandon – halálreceptoron– keresztül bonyolódó külsődleges

(extrinszik), illetve a mitokondrium külső membrán sérülésén, a citokrom c

felszabadulásán keresztül zajló, belsődleges (intrinszik) apoptotikus útvonalak

http://www.nature.com/nrd/journal/v4/n5/fig_tab/nrd1717_F2.html

7.6. ábra. Az endoplazmás retikulum stresszt és a következményes sérült fehérjeválaszt

kiváltó különböző fiziológiás, patológiás, illetve kísérleti tényezők

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0962892403002782

7.7. ábra. A sérült fehérjeválasz folyamatai


7.8. ábra. Az endoplazmás retikulum kiváltotta UPR, illetve az UPR elbukását követő

endoplazmás retikulum eredetű apoptózis folyamata








http://www.springerimages.com/Images/RSS/1-10.1007_s10103-009-0723-y-0

http://www.nature.com/nrd/journal/v4/n5/fig_tab/nrd1717_F2.html





Felhasznált és ajánlott irodalom

Andersen MH, Becker JC, Straten PT (2005) Regulators of apoptosis: suitable targets for

immune therapy of cancer Nature Reviews Drug Discovery4:399–409.

Ciechanover A (2005) Proteolysis: from the lysosome to ubiquitin and the

proteasomeNature Reviews Molecular Cell Biology6: 79–87.

Rutkowski DT, Kaufman RJ. (2004) A trip to the ER: coping with stress. Trends Cell Biol.

14:20–28.

Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, and Lubert Stryer:Biochemistry 5th editionNew York,

W. H. Freeman, 2002. ISBN 0716730510

Robert K. Murray, Victor W. Rodwell, David Bender, Kathleen M. Botham, P. Anthony

Weil, Peter J.: Kennelly Harper's Illustrated Biochemistry, 28th edition, McGraw-Hill

Medical 2009. ISBN 0071625917

David L. Nelson and Michael M. Cox: Lehninger Principles of Biochemistry (5th Edition)

W. H. Freeman; 5th edition, 2008. ISBN 071677108X

Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter:

Molecular Biology of the Cell (5th edition), Garland Science, 2008. ISBN 9780815341055

Ádám Veronika (szerk.): Orvosi Biokémia, Medicina Könyvkiadó 2006. ISBN

963242767X

Machovich Raymund, Mandl József (szerk.): Orvosi patobiokémia, Medicina, 2007.

http://www.whfreeman.com/

http://www.garlandscience.com/ecommerce_product/author_bio.jsf;jsessionid=vPUb8h-GRRprNhCL-Kc0ig__?authorBio=&isbn=9780815341055

http://www.libri.hu/szerzok/machovich_raymund.html

Documents

Biokémia II