Sensory Systems. KE7001 Biochemistry Food science and Biotechnology students at SLU 8-Mar Jerry Ståhlberg, Dept Mol Biol, SLU

Transkript

1 Sensory Systems KE7001 Biochemistry Food science and Biotechnology students at SLU 8-Mar-2005 Jerry Ståhlberg, Dept Mol Biol, SLU

2 Sensory Systems - Våra sinnen LUKT SMAK SYN (smell, olfaction) (taste, gustation) (vision) HÖRSEL (hearing) KÄNSEL (touch, pain) Stryer, Kapitel 32 Sensory systems, s CONCEPTUAL INSIGHTS Signaling Pathways: Response and Recovery STRUCTURAL INSIGHTS Rhodopsin: A G-protein-coupled 7TM Receptor LIVING FIGURE Ankyrin repeat structure

3 LUKT - Vi kan urskilja tusentals olika doftämnen mandel ingefära Doftämnen (odorants) är oftast små organiska molekyler som är tillräckligt flyktiga för att komma in i näsan i gasform eller aerosoler. Deras form är avgörande för igenkänning snarare än fysiska och kemiska egenskaper. T.ex. R- och S-Carvone är exakta spegelbilder (enantiomerer) och har identiska egenskaper, men urskiljs som olika dofter. = Kummin

4 LUKT I näsan finns omkring 1 miljon luktnervceller som har utskott (cilia) med doftreceptorer.

5 LUKT Press Release: The 2004 Nobel Prize in Physiology or Medicine 4 October 2004 The Nobel Assembly at Karolinska Institutet has today decided to award The Nobel Prize in Physiology or Medicine for 2004 jointly to Richard Axel and Linda B. Buck for their discoveries of "odorant receptors and the organization of the olfactory system"

6 LUKT The olfactory signal-transduction cascade 7TM-receptor OR G (olf) -protein camp jonkanal Ca 2+ in depolarisering = aktionspotential = nervsignal Kolla själv!! CONCEPTUAL INSIGHTS Ch 32, Signaling Pathways: Response and Recovery

7 Odorant receptors, OR en stor familj av 7TM receptorer 30-60% identitet mellan OR 20% identitet med betaadrenerga receptorn En nervcell uttrycker bara en receptor-gen 1000 lukt-receptorgener (OR) hos mus och råtta Människa OR-gener Men: Mer än hälften av våra OR-gener är pseudogener och uttrycks inte -> Evolutionär förlust Konserverade aa Högvariabla aa

8 Lukter urskiljs genom en kombinatorisk mekanism Ett ämne kan binda till flera receptorer En receptor kan binda flera ämnen Bindningen kan vara olika stark Varje ämne ger en unik kombination av nervsignaler Test av olika nervceller från mus Reagerar vid låg koncentration Kräver högre konc. för reaktion

9 Chemosensory proteins (CSP) in insects Insekters antenner innehåller mycket känsliga luktsensorer Antennerna har hög konc (~10 mm) av små (10 20 kda) lösliga proteiner som kallas Feromon-bindande (PBP), Odorant binding (OBP) och Chemosensory (CSP) Konformationsändringar Proteinerna binder starkt till doftämnen och feromoner, um och lägre OBP, PBP homologa; aa; tre disulfid-bryggor; 6-99% identitet CSP annan familj; ~110 aa; 2 disulfider Transporterar doftämnet till doftreceptorn (7TM, G-protein, camp, jonkanal-kaskad) Triggar responsen? Structure of the chemosensory protein CSP-A6 from the moth Mamestra brassicae. (a) The native structure with bound water. (b) Complex with three molecules of the surrogate ligand C12Br bound inside the expanded cavity. Tegoni et al (2004) Structural aspects of sexual attraction and chemical communication in insects.review.

10 SMAK Vi kan urskilja 5 olika smaker sött salt umami beskt surt Sött, beskt 7TM-receptorer G-protein gustducin Många receptorer, många smakämnen Umami (japanska = god smak) 7TM-receptor, specifik för Glu Salt, surt Verkar direkt på jonkanaler (?)

11 Gustducin: G-protein a-subenhet specifik för celler som registrerar beskt, sött och umami Gustducin uttrycks i smaklökarna på tungan Sektion av tungan färgad med en fluorescerande antikropp som visar smaklökarna (grönt) Sektion av tungan färgad med en fluorescerande antikropp mot gustducin (rött)

12 T2R-familjen: 7TM-receptorer för beska smakämnen T2R-gener i humana genomet 30-70% sekvensidentitet Många pseudogener En smakcell, flera receptorer Experimentellt bevis Cycloheximide stimulerar bindning av en GTP-analog till Gustducin i närvaro av ett specifikt T2R-protein Konserverade aa Högvariabla aa

13 The ability to taste the bitter compound 6-n-propyl-2-thiouracil (PROP) was mapped to human chromosome 5 by comparing DNA markers of person who vary in sensitivity to this compound. (s 904)

14 arför kan vi urskilja tusentals dofter men bara 5 smaker? LUKT En nervcell, en receptor SMAK En nervcell, flera receptorer

15 SMAK Söta smakämnen visar stor variation Kolhydrater: Glucose Fructose Sötningsmedel: Asp Phe

16 Sweet proteins Thaumatin Monellin Mabinlin Pentadin Brazzein Curculin Miraculin urce Thaumatococcu s danielli Benth Dioscoreophyllum cumminsii Diels Capparis masakai Levl Pentadiplandra brazzeana Baillon Pentadiplandra brazzeana Baillon Curculingo latifolia Richadell dulcifica ographic tribution West Africa West Africa China West Africa West Africa Malaysia West Africa eetness factor eight basis) lecular mass tive form, a) b ino acids (A chain) 50 (B chain) 33 (A chain) 72 (B chain)? tive form Monomer Dimer (A + B) Dimer (A + B)? Monomer Dimer (A + A) Tetramer A+A+A+A urce: Adapted from Kurihara (1994). a At least five different forms of thaumatin (Lee et al., 1988) and four different forms of mabinlin irasawa et al., 1994) have been identified. b A chromatographic fraction containing a 12-kDa protein was sweet. This same fraction, en subjected to electrophoresis under non-reducing conditions showed bands in the region between 22 and 41 kda, suggesting the sence of subunits. Ravi Kant (2005) Sweet proteins Potential replacement for artificial low calorie sweeteners. Nutritional Journal 4:5

17 Salt smak Passage av Na + genom jonkanaler Amilorid dämpar salt smak Minskar smaknervernas aktivering av natrium Amilorid-känsliga Na + - kanaler är involverade Andra jonkanaler också involverade Amilorid-känslig Na + -kanal Fyra subenheter aa/subenhet Stor familj med många roller Smak, känsel, salt-upptag, nervsignalering... Ca 20% av respons på Na + kvar i närvaro av amilorid En subenhet av en amilorid-känslig Na + -jonkanal

18 Sur smak Direkt verkan av H + på jonkanaler Inflöde av vätejoner genom amiloridkänsliga natriumkanaler inducerar en jon-ström över membranet Vätejoner känns också av genom andra mekanismer än direkt flöde genom jonkanaler Bindning av vätejoner blockerar vissa kalium-kanaler Tillsammans ger dessa mekanismer en förändring av membranpolariseringen i smaknerverna som ger en signal som uppfattas som sur smak

19 Umami Smaken av glutamat Aminosyran glutamat Umami = god smak (japanska) Glu finns i proteinrik mat Glu tillsats i livsmedel som smakförstärkare Vi känner av 1 mm Glu Specifik 7TM-receptor Metabotrof glutamatreceptor 4 (mglur4) uttrycks i smaklökar Homolog med specifika Glu-receptorer i CNS Glu också i CNS som neurotransmitter Evolverat från CNSreceptor (?) Fig Schematic structure of a metabotrophic glutamate receptor. The umami receptor is a variant of a brain glutamate receptor. A substantial part of the highaffinity glutamate-binding domain (yellow) is missing in the form expressed in the tongue. (s 907)

20 SYN Fotoreceptorer i ögat detekterar ljus Speciella nervceller i ögats näthinna som kallas stavar (rods) är mycket känsliga och kan reagera på ett tiotal fotoner Fig The rod cell. (Left) Scanning electron micrograph of retinal rod cells. (Right) Schematic representation of a rod cell. (s 908)

21 Rhodopsin Speciell 7TM-receptor för ljusabsorption Opsin (apoprotein) Första 7TM-receptorn som renats, klonats, sekvenerats och strukturbestämts + 11-cis-retinal (cofaktor) Kromofor, prostetisk grupp Vitamin A är prekursor Konjugerade dubbelbindningar Fri retinal abs-max vid 370 nm = Rhodopsin (holoprotein) Fotoreceptorn i stavar ε 40,000 M -1 cm -1 vid 500 nm Rödskift pga interaktioner med proteinet Fig Analogous 7TM receptors. The conversion of rhodopsin into metarhodopsin II activates a signaltransduction pathway analogously to the activation induced by the binding of other 7TM receptors to appropriate ligands.

22 Ljusabsorption inducerar isomerisering av bundet 11-cis-retinal till all-trans-retinal (380 nm) (440 nm) Fig Retinal-lysine linkage. Retinal is linked to lysine 296 in opsin by a Schiff-base linkage. In the resting state, this Schiff base is protonated. Fig Atomic motion in retinal. The Schiff-base nitrogen moves 5 Å as a consequence of the lightinduced isomerisastion of 11-cis-retinal to all-trans-retinal by rotation about the bond shown in red.

23 SYN - Visual signal transduction Ljusinducerad aktivering leder till hydrolys av cgmp, stängning av cgmpaktiverade jonkanaler och initiering av en aktionspotential. (jfr med lukt där camp-aktiverade kanaler öppnas vid signal.) G-proteinets α-subenhet kallas transducin. Kolla själv!! CONCEPTUAL INSIGHTS Ch 32, Signaling Pathways: Response and Recovery

24 SYN Aktivering, adaptering, återhämtning Millisekund respons 1000 bilder per sekund 1. Kräver snabb terminering Aktiverat rhodopsin hindras att aktivera mer transducin genom fosforylering och bindning av β- Arrestin 2. Inaktivering av transducin GTP hydrolyseras till GDP av GTPas-aktivitet hos α- subenheten (< 1s); binder till βγsubenheter och inaktiveras 3. cgmp ökas, öppnar kanaler Guanylatcyklas syntetiserar nytt cgmp från GTP Guanylatcyklas stimuleras av minskad Ca 2+ -konc (från 500 till 50 nm när kanalerna stängts) Fig Signal termination. Signal transduction by the 7TM receptor is halted (1) by dissociation of the signal molecule and (2) by phosphorylation of the cytoplasmic C-terminal tail of the receptor and the subsequent binding of β-arrestin. (s 402) Aktivering [cgmp] Kanaler stängs Återhämtning [Ca 2+ ] Guanylatcyklas stimuleras [cgmp] Kanaler öppnas [Ca 2+ ] Guanylatcyklas stängs av

25 Färgseende medieras av tre typer av tappar (cone cells) Tre olika 7TM-receptorer i tappar hos människa 40% identitet med rhodopsin (som finns i stavar) Blå receptor 40% identitet med röda och gröna >95% identitet mellan grön och röd receptor Stavar (rods) Tappar (cones) Kolla själv!! STRUCTURAL INSIGHT Rhodopsin: A G-protein-coupled 7TM Receptor

26 Stor likhet mellan röd och grön fotoreceptor -> homolog rekombination -> röd/grön färgblindhet Proteinerna skiljer sig i bara 15 av 364 positioner Generna ligger intill varandra på X-kromosomen -> rekombination Olika X-kromosomer 2% har bara en färgreceptor-gen 20% har två gener, 50% har tre 20% har fyra, 5% har fem eller fler * * * Skillnader i de tre positionerna markerade med asterisk har störst betydelse för skillnader i absorptionsspektra

27 SYN Evolutionärt samband mellan fotoreceptorer Röda och gröna pigment divergerade nyligen (35 milj år) hos primater. Däggdjur som skiljde sig från primater tidigare (t.ex. mus och hund) har bara två pigment i tappar. De kan inte urskilja färger lika bra och är inte lika känsliga för ljus mot infrarött. Fåglar däremot har sex olika pigment och mycket distinkt färgseende. Fig Evolutionary relationship among visual pigments. Visual pigments have evolved by gene duplication along different branches of the animal evolutionary tree. The branch lengths correspond the percentage of amino acid divergence.

28 Hörsel Snabb detektion av mekaniska stimuli Responstid ner till 0.02 ms Måste vara direkt mekanism som inte beror på sekundär messenger Jfr med synen där signaleringen tar millisekunder Fig Hair cells, the sensory neurons crucial for hearing. Each cochlea (öronsnäcka) contains ~16,000 hair cells. Fig An electron micrograph of a hair bundle. Fig Electron micrograph of tip links. The tip link between two hair fibers is marked by an arrow.

29 Hörsel Mekanisk öppning och stängning av jonkanaler I vila är ~15% av jonkanalerna öppna Rörelse mot toppen av hårbunten öppnar fler kanaler och orsakar depolarisering Rörelse från toppen stänger en del kanaler och orsakar hyperpolarisering 3 Å rörelse räcker för mätbar signal, motsvarar 1 tums rörelse av toppen av Empire State Building

30 Hörsel Mekanosensoriska kanaler med ankyrin repeats? Jonkanalerna i människans hörsel har inte identifierats, men mekanosensoriska jonkanaler, NompC, har hittats hos Drosophila. C-terminal delen av NompC (470 aa) liknar en klass av kanalproteiner, TRP, med sex transmembran-helixar (Transient Receptor Potential) N-terminala delen (1150 aa) utgör 29 st. Ankyrin-repeats, med strukturmotivet hairpin loop-helix-turn-helix Fig Ankyrin repeat structure. Four ankyrin repeats are shown in red. These domains interact with other proteins, primarily through their loops.

31 Känsel Registrering av tryck, temperatur, mm. Kombination av olika signalsystem, främst i huden Detektion av tryck och temperatur är viktiga komponenter Amilorid-känsliga natriumkanaler verkar spela en roll Andra system känner av smärt-stimuli som hög temperatur, frätande ämnen och vissa kemikalier Vi vet mindre om hur känsel fungerar än om de andra sinnena

32 Nociceptors Smärtnerver som aktiveras av capsaicin, det heta ämnet i chili-peppar Smärtreceptorer Nociceptorer är nervceller som signalerar till smärtcentra i ryggmärgen och hjärnan vid vävnadsskador Capsaicin öppnar calciumjon-kanaler som uttrycks i nociceptorer Vanilloid receptor 1, VR1 Uttrycks i nociceptorer Reagerar på < 1 um capsaicin 838 aa Tillhör familjen TRP-kanaler Har 3 ankyrin-repeats Fig The membrane topology deduced for VR1, the capsaicin receptor. The proposed site of the membrane pore is indicated in red, and the three ankyrin repeats are shown in orange. The active receptor comprises four of these subunits.

33 Capsaicin-receptorn VR1 reagerar också på lågt ph (syra) och hög temperatur Jonflöde genom receptorn VR1 induceras också av temperaturer över 40 C, och av utspädd syra, i områden associerade med infektion och vävnadsskador. Responserna på capsaicin, temperatur och ph är inte oberoende. Responsen på värme är högre vid lågt ph, t.ex. VR1 integrerar flera obehagliga stimuli som uppfattas som smärta och får oss att undvika potentiellt skadliga betingelser

34 Våra sinnen - Sammanfattning LUKT Kombinatorisk detektion av tusentals ämnen 7TM-receptorer, G (olf) -protein, camp-beroende kanal SMAK Olika mekanismer, 5 smaker Beskt, sött, umami: 7TM, G-protein gustducin, campberoende jonkanal Salt, surt: Direkt verkan på jonkanaler. Amilorid-känsliga natrium-kanaler. SYN Foton-energi konverteras till molekylrörelse 7TM + 11-cis-retinal = känslig fotoreceptor, G-protein transducin, cgmp-beroende jonkanal HÖRSEL - Snabb mekanisk aktivering av jonkanaler KÄNSEL Capsaicinreceptor reagerar på temp och ph

35 7TM-receptorer