Biosignál

Mi az a biosignal-elmélet?

A biosignal-elmélet az egy biológiai rendszeren belüli jelzések, ingerek közvetítésének leírásával foglalkozik. Mivel tudományos szinten tárgyaljuk a kérdést, megengedhetünk magunknak néhány rövid megjegyzést:

Egy elmélet bizonyított ismeretek állítását írja le, ahol minden egyes jelenség törvények által igazolható. Amennyiben nem ez a helyzet, hipotézisről beszélünk, amelynek van ugyan bizonyos valószínűsége, ezt azonban még igazolni kell.

Az egy biológiai rendszeren belüli jelzések közvetítése alapvető jelenség, amit az is igazol, hogy az amerikai Alfred Gilman és Martin Rodbell 1994-ben orvosi Nobel-díjat kapott az ezen a területen kifejtett munkájukért, amelynek címe a „G-proteinek szerepének felfedezése és e proteinek szerepe a jelzések közvetítésében a sejtekben”.

Ennek során Martin Rodbell felismerte, hogy a közvetítésért felelős molekula teremti meg a kapcsolatot a hormonreceptor és a sejt egy aktivátora között.

Alfred Gilman genetikai és biokémiai technikákat alkalmazott a G-proteinek beazonosítása és megtisztítása érdekében. Vizsgálati rendszerük lymphoma-sejteken alapult, amelyek szokásos körülmények között egy receptor segítségével olymódon aktiválhatók, hogy cAMP-ot, ciklikus adenosinmonophosphatot, képeznek.

Izolálni tudták ennek a lymphoma-sejtnek egy olyan mutánsát, amely tartalmazott egy normál receptort és egy normál, cAMP-ot termelő enzimet, azonban még nem volt képes arra, hogy reagáljon a jelzésre. Nyilvánvalóan hiányzott a közvetítő a receptor és az enzim között.

Gilman és Rodbell a következő feltételezéssel éltek: izoláltak az agyszövetből egy G-proteint, megtisztították és hozzáadták a mutáns lymphoma-sejthez. Az eredmény: a sejt funkcionalitása ismét helyreállt.

Hogyan zajlik le pontosan a jelzések közvetítése a sejtben?

Általánosságban fogalmazva a test sejtjeit kettős lipidmembrán veszi körül. Ezen phospholipidek hydrofil fejei e membrán belső ill. külső felületei felé irányulnak. Ezen kívül van sok olyan protein, amelyek keresztülnyúlnak a membránon. Amennyiben egy üzenethordozó anyag érkezik ehhez a membránhoz, pl. adrenalin, kötésbe lép a számára specifikus adrenalin-receptorral, a diszkriminátorral, amelynek ehhez a molekulához specifikus kötődési pontjai vannak.

E receptoron keresztül egy közvetítő aktivizálódik, éppen az egy-egy α β és γ alegységből felépülő G-protein. Ez a G-protein ismét stimulál egy aktivátort, ebben az esetben az adenylatcyclase-t, egy enzimet, amelyen keresztül a sejten belül másodlagos üzenethordozó cAMP termelődik. A kaszkád-rendszerű enzimes reakciókon keresztül megváltozik a sejt állapota, és egy foszforilálási lépésen keresztül a glykogenből glukóz termelődik, a glukóznak ismét szüksége van a sejtre, hogy ATP-t termeljen. Foszforiláláson keresztül ugyanígy megváltoztathatók a membránmolekulák, pl. az ioncsatornák is.

Nézzük meg a G-proteineket kicsit közelebbről: hogyan történik a G-proteinek aktiválása ill. inaktiválása?

1) Nyugalmi állapotban a G-proteinhez, amely, mint ahogy már szó volt róla, egy-egy α β és γ alegységből áll, egy GDP molekula kötődik.

2) Amikor a hormon a receptorhoz kötődik, a G-protein aktiválódik és

3) a GDP a GTP-re cserélődik. A G-protein szétesik az α-alegységre (amely a GTP-hez kötődik) és a βγ-alegységre.

4) Az inaktiválás során a GTP, amely az α-alegységhez kötődik, GDP-vé hidralizálódik. Ezután a G-protein alegységek ismét inaktív G-proteinné kötődnek össze.

Hol fordulnak elő a testben G-proteinek?

Speciális G-proteinek találhatóak a szem pálcikáiban és az orrban.

-az érzékszervekben meglévő G-proteinek a környezetből származó információkat egy olyan nyelvre fordítják le, amelyet az agyban lévő G-proteinek értelmezni tudnak.

-Szaglási stimuláció révén az orrban lévő G-proteinek aktivizálódnak

-a nyelven lévő G-proteinek ízlelési komponenseket regisztrálnak

-a G-proteinek válaszolnak a hormonokra.

Izgatásra a mellékvese adrenalint ürít a vérbe – ennek következtében a máj glukózt képez és így energiát ad, pl. a küzdelemhez (vagy meneküléshez). A szív és a véredények ugyanígy előkészülnek.

Kolera és G-proteinek

A kolerát a Vibrio cholerae baktérium okozza, amely szennyezett vízzel kerül a szervezetbe. A baktérium óriási mennyiségben elszaporodik a bélben; a felhámsejtek nem képesek megakadályozni, hogy a folyadék a bélbe jusson, aminek következtében rendkívül erőteljes hasmenés lép fel. A kolera járványszerűen Indiában és a Harmadik Világ más országaiban fordul elő. A baktérium, amelyet 1884-ben Robert Koch fedezett fel, antibiotikummal elpusztítható, a betegséget azonban egy bakteriális eredetű mérgezés váltja ki, amely a bélben lévő felhámsejtek G-proteinjeit visszafordíthatatlanul aktiválja. Ennek az aktiválásnak az eredménye a víz és a só gyakran életveszélyes mértékű vesztése. A felfedezést követően közel 100 évre volt szükségük a kutatóknak arra, hogy felfedjék a betegség valódi okait – a G-proteinek bakteriális mérgezésének hatását: a baktérium termel egy toxint, amelynek egy része áthatol a sejtmembránon. Ez a toxin úgy viselkedik, mint egy enzim, amely úgy változtatja meg a G-proteineket, ami többé nem visszafordítható.

A jelzések közvetítése a sejtek között

Vannak különböző rendszerek, amelyeken keresztül a sejtek egymással kommunikálni tudnak.

1. Receptorok enzimes hatással

Ezek közé tartoznak pl. a tyrosinkinasok. Ezek transzmembrán-proteinek, amelyek a sejt külső falán a jelzést hordozó molekulát megkötik és a sejt belsejében enzimes reakciót váltanak ki.

2. Sejten belüli receptorproteinek

Ebben az esetben a jelzést hordozó molekula átdiffundál a sejtmembránon és összeköttetésbe lép a receptorral. A további leggyakoribb folyamatok a következő aktiválások:

-proteinkinase. Ezek foszforilálnak más proteineket, ami által ezek aktivitása fokozódik vagy éppen akadályozva lesz.

- proteinfoszfatázok. Ezek más proteinekről leválasztanak foszfátcsoportokat és ennek megfelelő hatást váltanak ki

3. GTP-t megkötő proteinek

Anyagok, amelyek jelzéseket közvetítenek, pl. a következők lehetnek: proteinek, peptidek, aminosavak, nukleotidek, steroidok, retinoidok, zsírsavderivátumok, nitrogénmonoxid, szénmonoxid.

A jelzés közvetítésének útjai

Exocytose – a jelzést hordozó anyag a véráramba kerül és szétterjed a testben (pl. inzulin).

Diffuzió – a jelzést hordozó anyag a környezetében terjed szét (pl. testosteron)

A jelzést hordozó sejtek kötődése a célsejt membránjának felszínén (pl. pusztító sejtek fejlődési folyamatokban)

Miért lehet a hormonokkal jellegzetes reakciókat kiváltani?

1. Csak bizonyos sejttípusok rendelkeznek az egyes meghatározott, megfelelő hormonok receptoraival

2. A receptorok minden sejttípusban sejttípus-specifikus más szabályozó proteinekkel vannak kombinálva, amelyek a sejtspecifikus proteinek expressziójához szükségesek.

Transzmembrán-receptorok

Egy szignál-hordozó a membrán külső falán a receptorra tapad, ezáltal reakciót vált ki a sejt belsejében. A receptor 3 részből épül fel:

1.Egy külső rész, ahová a ligand (az elsődleges üzenethordozó) kapcsolódik,

2. egy, a membránon belüli rész (amely a receptort ott megköti)

3. egy sejten belüli rész, amely a hatást kibontakoztatja.

Hatásként pl. számításba jöhet:

1. génexpresszió beindítása

2. egy sejten belüli enzim aktivitásának megváltoztatása

3. a sejt sejtvázának átalakítása

4. egy anyag membrán-áteresztő képességének megváltoztatása

5. a sejtoszlás megindítása

6. a transzláció megindítása.

Signal-továbbítás G-proteinen keresztül

1. egy ligand (elsődleges üzenethordozó) megkötésével a G-protein receptor aktiválódik

2. a receptor megköti a G-proteint a membrán belső oldalán

3. a receptorhoz való kötés következtében a GDP GTP-re cserélődik

4. ezáltal az α-alegység disszociál és aktiválja az effektort, pl. az adenylylcyclase-t

5. ez az ATP-ből cAMP-t képez

6. az α-alegység defoszforilál és a másik két alegységgel együtt ismét inaktív G-proteinné áll össze

7. a cAMP, mint másodlagos üzenethordozó aktiválja a célproteint.

Kiegészítés G-proteinreceptorrá

További másodlagos üzenethordozók: DAG (Diacylglycerol), IP3 (Inosotoltriphodphat), Ca2+.

A phosphatidylinositol (P1) a sejtmembrán lipidrétegének építőeleme. Foszforilálható phosphatidylinositolfoszfáttá (PIP) és tovább phosphatidylinositoldifoszfáttá (PIP2). Egy sima izomsejt acetilcholin-nal történő ingerlése esetén a receptoron keresztül egy G-proteint aktiválódik, amely ismét aktivál egy phosphorylase C-t. Ez a PIP2-t DAG-ra (ami a membránban marad) és IP+-ra (cytosol-ba diffundál) bontja szét. Mind a DAG, mind pedig az IP3 másodlagos üzenethordozóként működhetnek:

DAG: foszforilálja a proteinkinase C-t (PKC), aminek következtében ismét újabb proteinek aktivizálódnak. PKC-nek mindenekelőtt a növekedési folyamatokban és a fejlődésben van nagy jelentősége.

IP3: kicsi, vízben jól oldódó molekula, amely gyorsan diffundál a cytosol-ba. Az IP3 receptora (Ca2+- csatorna) a sima ER-ben található. Az IP3 hatás csak átmeneti, gyorsan ismét inaktiválódik.

Ca2+: sok sejtben végbemenő folyamatban, mint pl. sejtosztódás, kiválasztás (inzulin!), endo, exo és fagocitózis, sejtmozgás, sejtanyagcsere, kulcsfontosságú szerepe van.

A Ca2+ normál körülmények között a citosolban található nagyon alacsony koncentrációban, mivel a sejtmembránban való pumpálással kifelé és a sima ER-ben történő pumpálással befelé pumpálódik. Ezért van az, hogy ott 10 000-szeresen nagyobb koncentrációban található, mint a cytosolban. A Ca2+-csatorna két fő típusa létezik: egyrészt IP3 stimulált, másrészt cADPR (ciklikus Adenosinphosphatribose) és Ca2+ stimulált.

Ezen az úton a reakciók még mindig átmeneti jellegűek (a Ca2+ kipumpálása miatt). Az inzulin felszabadítása a cADPR és Ca2+-kiválasztáson keresztül történik:

Fototransdukció

Az enzimek kaszkád rendszere

Az enzimek kaszkád rendszere a rhodopsin-nal kezdődik. A rhodopsin egy protein-részből áll, az opsinból és egy chromophorból, a 11-cis retinal-ból. Konjugált kettős kötések sorozatának hatására a 11-cis retinal képes fény abszorbeálására. Az opsinhoz való kötődés alapján az abszorbeálás maximuma a hullámspektrum látható tartományába tolódott el.

Egy fénykvantum abszorbeálása során a retinál az un. all-trans formába megy át, amelynek során már nem igazodik a (rhod?) opsinhoz, és elválik tőle. A most már térbelileg megváltozott rhodopsinból enzimesen aktív rhodopsin lesz. Ez az aktív rhodopsin 3000 transducinmolekulát is aktivizálni tud, mielőtt a rhodopsinkase foszforilálná és az arrestin megkötné azt. Az arrestin megakadályozza a transducin további aktivizálását. Ha az arrestin a rhodopsintől elválik, ismét kapcsolódik a 11-cis retinalhoz, amely az all-trans formából regenerálódott. Ezáltal a rhodopsin ismét aktiválható.

Mi a funkciója a transducin-nak?

A transducin a G-proteinek családjába tartozik és ennek megfelelően 3 alegységből, az α, β és γ alegységből épül fel. Az α alegység inaktív állapotban GDP-t köt meg. Az aktív rhodopsinon keresztül a GDP-t GTP váltja fel, a transducin szétesik az aktív α-alegységre, amely a GTP-hez van kötve és a βγ-alegységre. Az aktív transducinon keresztül most ismét aktiválódik egy phosphodiesterase. Ez a cGMP-t 5’GMP-vé változtatja, ezáltal a cGMP-tükör szint csökken. Ezáltal a Na+/Ca2+-csatornák elzáródnak, így a cella hiperpolarizált lesz és több közvetítő nem kerül kiválasztásra. A cGMP-n keresztül a Na+/Ca2+ csatornák ellenőrizve vannak – ha a cGMP-koncentráció magas a sejtben, a csatornákhoz köti azt és ezáltal kinyitja azokat. Ha a cGMP-koncentráció alacsony, leválnak a cGMP molekulák a csatornákról, aminek következtében azok bezáródnak.

Foglaljuk össze: a szemben 2 látórendszer van, a pálcikák és a csapok, amelyek a szürkületi látásért és a színlátásért felelősek. Mindkét rendszer vonatkozásában ugyanaz az alapelv érvényes: egy protein (opsin) rendelkezik egy megkötött szenzorral a fénykvantumok számára (11-cis retinal), ezek együtt alkotják a rhodopsint. Fényben megváltozik a protein háromdimenziós struktúrája és egy biokémiai kaszkád-rendszerű reakción keresztül jelzés indul az agy felé.

A látás és a szaglás összehasonlítása

Érdekes, hogy a szaglás folyamatában olyan molekulák vesznek részt, amelyek nagyon hasonlatosak a látáséhoz. Alapvető különbséget jelent mindenesetre a következő tény: látáskor 4 különböző opsin létezik és kölcsönös összekapcsolódással történik a benyomások összehangolása. A szaglás esetében ezzel szemben különböző receptorok ezrei léteznek, mivel a különböző szignálmolekulák is ezres nagyságrendűek, amelyek kémiailag definiált szerkezettel és geometriával rendelkeznek. A kulcs-lakat elv alapján ezeket a szignál-leadókat célzottan fel kell ismerni. Ha a molekula felismerésre és lekötésre került, az inger feldolgozása hasonlóan történik a látáséhoz.

Központi szerepet játszanak ebben a G-proteinhez kapcsolt receptorok. A természetben is (vagy éppen ott) érvényes: ha egy rendszer egyszer sikeresnek bizonyult, újra és újra alkalmazásra kerül. És így történik az információ átvitele is a sejtekben a legkülönbözőbb területeken ugyanazon elv alapján:

A sejtmembránban van egy receptor. Ez a receptor egy protein 7 transzmembrán-átjáróval. A sejt belső oldalán ez a receptor egy G-proteinhez kapcsolódik. Ha most egy szignál kötődik a receptorhoz, ez megváltoztatja annak szerkezetét, ami által lehetővé válik a szignál továbbítása a sejtben. A szaglás során az illatanyag a receptorhoz kötődik, amely ezáltal aktiválódik és elősegíti a GDP GTP-re történő kicserélését a G-proteinen. A G-protein disszociál az ismert alegységekre, a Gα-alegység aktiválja az adenylylcykalse-t, amely katalizálja a cAMP termelést az ATP-ből. Ezáltal megnyílnak a cAMP vezérelte Ca2+-csatornák és a Ca2+ beáramlik a sejtbe. A Ca2+ beáramlás következtében ismét Ca2+ vezérelt Cl-csatornák nyílnak meg, Cl áramlik ki, depolarizálja a sejtet, ami újabb elektromos jelzést vált ki az agyban. A sejtbe beáramló Ca2+ ismét csökkenti a kationcsatorna affinitását a cAMP iránt, úgy hogy a rendszer érzékenysége az illatanyaggal szemben csökken. A GTP hidrolizálásával GDP keletkezik, a cAMP-ot a phosphodiesterase hidrolizálja, egy receptorkinase foszforilálja a receptort és ezzel inaktiválja, az illatanyagot elszállítják és a rendszer ismét visszatér a kiindulási helyzetbe.

A kb. 1000 illatreceptor mellett további több ezer receptor ismert, amelyek a G-proteinekhez kapcsolódnak, így pl. neurotransmitterek, hormonok és enzimek. Ebből logikusan következik, hogy a G-protinhez kapcsolódó receptorok rendkívül érdekes célmolekulák bizonyos betegségek terápiája szempontjából.

Tegyünk ezért végül egy rövid kitérőt a gyógyszerkutatás irányába:

A gyógyszerkutatás kezdeteit úgy kb. 100 évvel ezelőtt még az intuíció, a logikus végkövetkeztetések, de nem utolsó sorban egy nagy adag véletlen határozta meg. Kb. a 20. század második fele óta kezdődött a rendszeres kutatás új gyógyszeranyagok után. Ennek során a cél az volt, hogy jobban sikerüljön megérteni a kémiai szerkezet és biológiai hatás közötti összefüggéseket. A legfontosabb területek a gyógyszerkutatásban a következők voltak:

- Az enzimek : ezek állítják elő a testben mindazokat az anyagokat, amelyek részt vesznek az életfolyamatokban vagy szabályozzák más enzimek aktivitását

- A receptorok: ezek fogadják a kémiai jeleket, továbbítják azokat és kiváltják a fiziológiai folyamatokat

- Az ioncsatornák: ezek nyílnak meg a szignálok hatására és áramoltatnak bizonyos ionokat a magasabb koncentrációjú közegből egy alacsonyabb koncentrációjú közegbe

- A szállító molekula: ezek raktározzák az ionokat vagy anyagcseretermékeket és szállítják őket energia felhasználásával a koncentrációtól függetlenül a sejtmembránon keresztül.

Az úgynevezett kombinatív kémia fejlődésével mintegy 20 évvel ezelőtt új szakasz kezdődött a kutatásban. A különböző építőelemek szisztematikus kombinációjával számtalan új anyagot lehetett előállítani- és a megfelelően automatizált in vitro kísérleti rendszerekkel – hatásuk vizsgálhatóvá vált. Ennek során az új gyógyszerek iránti kutatás gyakran a tűnek a szalmakazalban való megkereséséhez kezdett hasonlítani. Ennek a technikának a problematikáját az egyik kutató találó módon a következőképpen fogalmazta meg: „Egy tűnek a szalmakazalban történő megkeresését nem segíti elő, ha egyre növeljük a szalmakazal nagyságát”.

Az újonnan kifejlesztett számítógépes programokkal ma célzottan lehet kutatni: kifejlesztik egy protein kötődési pontjának háromdimenziós szerkezetét (pl. egy receptorét), amihez egy ligandot (elsődleges üzenetvivőt) terveznek; ennek során meg kell próbálni úgy kialakítani a ligand szerkezetét, hogy az illeszkedjen a feltételezett kötődési pontokhoz. Összegezve: ha ismert a hatásmechanizmus és ismerjük a protein kötődési pontjának szerkezetét, a megfelelő ligandot relatíve célzottan lehet megtervezni.

Ezáltal teljesen új dimenziókat kap a gyógyászati ill. a gyógyszerkutatáson kívüli „funkcionális élelem”, a táplálék-kiegészítők és különösen a modern élelmiszerek kutatása.

Ennek az elméletnek a bázisán fejleszti ki a Nova Nutria GmbH. modern funkcionális táplálék-kiegészítőit, élelmiszereit és kozmetikai termékeit.

A hatásmechanizmusoknak a receptori szinten történő feltárása, a közvetítő anyagokhoz történő kötésnek és szignál-közvetítő mechanizmusaiknak a megismerése teszi lehetővé, hogy a gyógyszerkutatáshoz hasonlóan célzott kutatás folyjon az egészség fejlesztése és/vagy megőrzése érdekében az élelmiszerek bázisán is, anélkül azonban, hogy azokat gyógyszernek minősítenénk, mivel a kutatás célja nem hatások elérése, hanem célzottan az, hogy tápanyagok, másodlagos növényi anyagok, nyomelemek, ásványi anyagok és egyéb növényi anyagok táplálék-alapanyagként szolgáljanak farmakológiai hatások nélkül.

Kidolgozta és dokumentálta:

Dr.rer.nat. Hans Dieter Weiss

A N... N..... tudományos tanácsának tagja és a továbbképzés munkatársa