Использование мембранных компонентов в синтезе вторичных мессенджеров. Что такое вторичные посредники? Перечислите вторичные посредники, приведите примеры рецепторов, передающих внутриклеточный сигнал с их помощью

При передаче сигналов в клетке первичными посредниками являются химические соединения или физические факторы (квантсвета), способные активировать механизм передачи сигнала в клетке. По отношению к воспринимающей клетке первичные посредники являются экстраклеточными сигналами. Стоит отметить, что в качестве экстраклеточных стимулов могут выступать и молекулы в изобилии присутствующие внутри клетки, но находящиеся в норме в очень низкой концентрации в межклеточном пространстве (например,АТФилиглутамат). В зависимости от функций первичные посредники могут быть разделены на несколько групп:

• цитокины

  нейротрансмиттеры

  факторы роста

  хемокины

Рецепторы – особые белки, обеспечивающие получение клеткой сигнала от первичных посредников. Для этих белков первичные посредники являются лигандами.

Для обеспечения рецепторной функции молекулы белков должны отвечать ряду требований:

Обладать высокой избирательностью к лиганду;

Кинетикасвязываниялигандадолжна описываться кривой с насыщением, соответствующим состоянию полной занятости всех молекул рецепторов, число которых на мембране ограничено;

Рецепторы должны обладать тканевой специфичностью, отражающей наличие или отсутствие данных функций в клетках органа-мишени;

Связывание лиганда и его клеточный (физиологический) эффект должны быть обратимы, параметры сродства должны соответствовать физиологическим концентрациям лиганда.

Клеточные рецепторы делятся на следующие классы:

мембранные

• рецепторные тирозинкиназы

  рецепторы, сопряжённые с G-белками

  ионные каналы

цитоплазматические

Мембранные рецепторы распознают крупные (например, инсулин) или гидрофильные (например, адреналин) сигнальные молекулы, которые не могут самостоятельно проникать в клетку. Небольшие гидрофобные сигнальные молекулы (например, трийодтиронин,стероидные гормоны, CO, NO) способны проникать в клетку за счётдиффузии. Рецепторы таких гормонов обычно являются растворимыми цитоплазматическими или ядерными белками. После связывания лиганда с рецептором информация об этом событии передаётся дальше по цепи и приводит к формированию первичного и вторичного клеточного ответа.

Механизмы активации рецепторов . Если внешняя сигнальная молекулавоздействует нарецепторыклеточной мембраны и активирует их, то последние передают полученную информацию на систему белковых компонентов мембраны, называемую каскадом передачи сигнала. Мембранные белки каскада передачи сигнала подразделяют на:

белки-преобразователи, связанные с рецепторами

ферменты-усилители, связанные с белками-преобразователями (активируютвторичные внутриклеточные посредники, переносящие информацию внутрь клетки).

Так действуют рецепторы, сопряженные с G-белками. Другие рецепторы (ионные каналы, рецепторы спротеинкиназнойактивностью) сами служат умножителями.

4.3.2. Вторичные посредники

Это низкомолекулярные вещества, которые образуются или высвобождаются в результате ферментативной активности одного из компонентов цепи передачи сигнала и способствуют его дальнейшей передаче и амплификации. Вторичные посредники характеризуются следующими свойствами: имеют небольшую молекулярную массу и с высокой скоростью диффундируютвцитоплазме; быстро расщепляются и быстро удаляются из цитоплазмы. Ко вторичным посредникам относятся:

Ионы кальция(Ca2+);

циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) и циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ)

инозитолтрифосфат

липофильные молекулы (например, диацилглицерол);

оксид азота(NO) (эта молекула выступает и в роли первичного посредника, проникающего в клетку извне).

Иногда в клетке образуются и третичные посредники. Так, обычно ионы Ca2+ выступают в роли вторичного посредника, но при передаче сигнала с помощью инозитолтрифосфата (вторичный посредник) выделяющиеся при его участии из ЭПРионы Ca2+ служат третичным посредником.

Механизм передачи сигнала предполагает примерно следующую схему:

Взаимодействие внешнего агента (стимула) с клеточным рецептором,

Активация эффекторной молекулы, находящейся в мембране и отвечающей за генерацию вторичных посредников,

Образование вторичных посредников,

Активация посредниками белков-мишеней, вызывающих генерацию следующих посредников,

Исчезновение посредника.

Передача сигнала в клетке (клеточная сигнализация) - это часть сложной системы коммуникации, которая управляет основными клеточными процессами и координирует действия клетки. Возможность клеток корректно отвечать на изменения окружающей их среды (microenvironment) является основой развития, репарации тканей,иммунитетаи системы поддержаниягомеостазав целом. Ошибки в системах обработки клеточной информации могут привести краку,аутоиммунным заболеваниямидиабету. Понимание механизмов передачи сигнала внутри клетки может привести к разработке методов лечения заболеваний и даже созданию искусственных тканей.

Традиционно биологические исследования сфокусированы на изучении отдельных частей системы передачи сигнала. Знания о компонентах сигнальных систем помогают понять общую структуру сигнальных систем клетки и то, как изменения в них могут повлиять на передачу и утечку информации. Системы передачи сигнала в клетке являются сложно организованными комплексами и обладают такими качествами, как ультрачувствительность и бистабильность (возможность находиться в одном из двух существующих состояний). Анализ систем передачи сигнала в клетке затрагивает комбинацию экспериментальных и теоретических исследований, которые включают в себя развитие и анализ моделей и симуляторов.

Резюме. В данной главе рассмотрены основные закономерности и проблемы молекулярной биологии на примере явления программируемой клеточной смерти (апоптоза), межклеточного и внутриклеточного взаимодействия, использования молекулярно-генетических маркеров (на примере полимеразно-цепной реакции) в фундаментальных и прикладных целях.

Контрольные задания

Происхождение и эволюция апоптоза у разных групп организмов.

Характеристика и основные пути индукции основных фаз апоптоза.

Основные механизмы регуляции апоптоза.

Патологии, обусловленные нарушениями процесса апоптоза.

Основные типы молекулярно-генетических маркеров.

История открытия, методика проведения полимеразно-цепной реакции.

Особенности проведения и применения основных разновидностей ПЦР.

Значение сигнальной трансдукции при межклеточных и внутриклеточных взаимодействиях.

Механизмы активации рецепторных белков.

Механизмы передачи сигналов при межклеточном взаимодействии.

I. Проникновение стероида (С) в клетку

II. Образование комплекса СР

Все Р стероидных гормонов представляют собой глобулярные белки примерно одинакового размера, с очень высоким сродством связывающие гормоны

III. Трансформация СР в форму, способную связываться ядерными акцепторами [СР]

Любая клетка содержит всю генетическую информацию. Однако при специализации клетки большая часть ДНК лишается возможности быть матрицей для синтеза иРНК. Это достигается путем сворачивания вокруг белков гистонов, что ведет к препятствию транскрипции. В связи с этим генетический материал клетки можно разделить на ДНК 3-х видов:

1.транскрипционно неактивная

2.постоянно экспрессируемая

3.индуцируемая гормонами или другими сигнальными молекулами.

IV. Связывание [СР] с хроматиновым акцептором

Следует отметить, что этот этап действия С полностью не изучен и имеет ряд спорных моментов. Считается что [СР] взаимодействует со специфическими участками ДНК так, что это дает возможность РНК-полимеразе вступить в контакт к определенным доменам ДНК.

Интересным является опыт, который показал, что период полужизни иРНК при стимуляции гормоном увеличивается. Это приводит к многим противоречиям: становится непонятно ¾ увеличение количества иРНК свидетельствует, о том что [СР] повышает скорость транскрипции или увеличивает период полужизни иРНК; в то же время увеличение полужизни иРНК объясняется наличием большого числа рибосом в гормон-стимулированной клетке, которые стабилизируют иРНК или другим действием [СР] неизвестным для нас на сегодняшний момент.

V. Избирательная инициация транскрипции специфических иРНК; координированный синтез тРНК и рРНК

Можно полагать, что основной эффект [СР] состоит в разрыхлении конденсированного хроматина, что ведет к открыванию доступа к нему молекул РНК-полимеразы. Повышение количества иРНК приводит к увеличению синтеза тРНК и рРНК.

VI. Процессинг первичных РНК

VII. Транспорт мРНК в цитоплазму

VIII. Синтез белка

IX. Посттрансляционная модификация белка

Однако, как показывают исследования, это основной, но не единственно возможный механизм действия гормонов. Например, андрогены и эстрогены вызывают увеличение в некоторых клетках цАМФ что дает возможность предположить, что для стероидных гормонов имеются также мембранные рецепторы. Это показывают что стероидные гормоны действуют на некоторые чувствительные клетки как водорастворимые гормоны.

Вторичные посредники

Пептидные гормоны, амины и нейромедиаторы в отличие от стероидов ¾ гидрофильные соединения и не способны легко проникать через плазматическую мембрану клетки. Поэтому они взаимодействуют с расположенными на поверхности клетки мембранными рецепторами. Гормон-рецепторное взаимодействие иницирует высококоординированную биологическую реакцию, в которой могут участвовать многие клеточные компоненты, причем некоторые из них расположены на значительном расстоянии от плазматической мембраны.

цАМФ ¾ первое соединение, которое открывший его Сазерленд назвал «вторым посредником», потому что «первым посредником» он считал сам гормон, вызывающий внутриклеточный синтез «второго посредника», который опосредует биологический эффект первого.

На сегодняшний день можно назвать не менее 3 типов вторичных посредников: 1)циклические нуклеотиды (цАМФ и цГМФ); 2)ионы Ca и 3)метаболиты фосфатидилинозитола.

С помощью таких систем небольшое число молекул гормона, связываясь с рецепторами, вызывает продукцию гораздо большего числа молекул второго посредника, а последние в свою очередь влияют на активность еще большего числа белковых молекул. Таким образом, происходит прогрессивная амплификация сигнала, исхдно возникающего при связывании гормона с рецептором.

ЦАМФ

Упрощенно действие гормона через цАМФ можно представить так:

1. гормон + стереоспецифический рецептор

2. активация аденилатциклазы

3. образование цАМФ

4. обеспечение цАМФ координированной реакции

Гормон Внешняя среда

Рецептор Мембрана

5’-цАМФ 3’,5’-цАМФ АТФ

Неактивная протеинкиназа

Фосфодиэстераза

Активная протеинкиназа

Дефосфопротеин Фосфопротеин

Фосфопротеинфосфатаза

Биологический эффект

Рис 1

1.Следует отметить, что рецепторы тоже являются динамическими структурами. Это означает, что их количество может или снижаться или повышаться. Например у людей с увеличенной массой тела уменьшается количество рецепторов инсулина. Опыты показали, что при нормализации их массы замечается увеличение количества рецепторов до нормального уровня. Иными словами, при повышении или снижении концентрации инсулина имеют место реципрокные изменения концентрации рецепторов. Считается, что это явление может защитить клетку от слишком интенсивной стимуляции при неадекватно высоком уровне гормона.

2.Активация аденилатциклазы (А) тоже является регулируемым процессом. Ранее считалось, что гормон (Г), связываясь с рецептором (Р), изменяет его конформацию, что приводит к активированию А. Однако оказалось, что А, является аллостерическим ферментом, который активируется под действием ГТФ. ГТФ переносит специальный белок (трансдуктор) G. В связи с этим была принята модель, описывающая не только активацию А, но и терминацию этого процесса

а) Г + Р + G·ГДФ ® Г·Р·G + ГДФ

б) Г·Р·G + ГТФ ® Г + Р + G·ГТФ

в) G·ГТФ + А ® ­цАМФ + G·ГДФ

Таким образом, «выключающим» систему сигналом служит гидролиз ГТФ. Для возобновления цикла ГДФ должен отсоединиться от G, что происходит при связывании гормона с Р.

Некоторые факторы оказывают ингибирующее действие на А и вызывают снижение концентрации цАМФ. Примерами агонистов стимулирующих циклазу, могут служить глюкагон, АДГ, ЛГ, ФСГ, ТТГ и АКТГ. К факторам ингибирующим циклазу, относятся опиоиды, соматостатин, ангиотензин II и ацетилхолин. Адреналин может как стимулировать (через b-рецепторы), так и ингибировать (через a-рецепторы) данный фермент. Возникает вопрос каким же образом осуществляется двунаправленная регуляция А. Оказалось, что ингибирующая система включает в себя трехмерный белок, чрезвычайно похожий на приведенный выше G-белок. Эффект Gи может быть описан следующим образом:

а) Г + Р + Gи·ГДФ ® Г·Р· Gи + ГДФ

б) Г·Р·Gи + ГТФ ® Г + Р + Gи·ГТФ

в) Gи·ГТФ + А ® ¯цАМФ + Gи·ГДФ

После фосфорилирования белков-ферментов в ходе выше описанных реакций (см. рис 1) изменяется их конформация. Следовательно изменяется и конформация их активного центра, что ведет к их активированию или ингибированию. Получается, что благодаря вторичному посреднику цАМФ в клетке активируются или ингибируется действие специфичных для нее ферментов, что вызывает определенный биологический эффект свойственный для этой клетки. В связи с этим несмотря на большое количество ферментов, которые действуют через вторичный посредник цАМФ, в клетке возникает определенный, специфический ответ.

Краткое описание:

Учебный материал по биохимии и молекулярной биологии: Строение и функции биологических мембран.

МОДУЛЬ 4: СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН

_Темы _

4.1. Общая характеристика мембран. Строение и состав мембран

4.2. Транспорт веществ через мембраны

4.3. Трансмембранная передача сигналов _

Цели изучения Уметь:

1. Интерпретировать роль мембран в регуляции метаболизма, транспорте веществ в клетку и удалении метаболитов.

2. Объяснять молекулярные механизмы действия гормонов и других сигнальных молекул на органы-мишени.

Знать:

1. Строение биологических мембран и их роль в обмене веществ и энергии.

2. Основные способы переноса веществ через мембраны.

3. Главные компоненты и этапы трансмембранной передачи сигналов гормонов, медиаторов, цитокинов, эйкозаноидов.

ТЕМА 4.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕМБРАН.

СТРОЕНИЕ И СОСТАВ МЕМБРАН

Все клетки и внутриклеточные органеллы окружены мембранами, которые играют важную роль в их структурной организации и функционировании. Основные принципы построения всех мембран одинаковы. Однако плазматическая мембрана, а также мембраны эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи, митохондрий и ядра имеют существенные структурные особенности, они уникальны по своему составу и по характеру выполняемых функций.

Мембраны:

Отделяют клетки от окружающей среды и делят ее на компартменты (отсеки);

Регулируют транспорт веществ в клетки и органеллы и в обратном направлении;

Обеспечивают специфику межклеточных контактов;

Воспринимают сигналы из внешней среды.

Согласованное функционирование мембранных систем, включающих рецепторы, ферменты, транспортные системы, помогает поддерживать гомеостаз клетки и быстро реагировать на изменения состояния внешней среды путем регуляции метаболизма внутри клеток.

Биологические мембраны построены из липидов и белков, связанных друг с другом с помощью нековалентных взаимодействий. Основу мембраны составляет двойной липидный слой, в состав которого включены белковые молекулы (рис. 4.1). Липидный бислой образован двумя рядами амфифильных молекул, гидрофобные «хвосты» которых спрятаны внутрь, а гидрофильные группы - полярные «головки» обращены наружу и контактируют с водной средой.

1. Липиды мембран. В состав липидов мембран входят как насыщенные, так и ненасыщенные жирные кислоты. Ненасыщенные жирные кислоты встречаются в два раза чаще чем насыщенные, что определяет текучесть мембран и конформационную лабильность мембранных белков.

В мембранах присутствуют липиды трех главных типов - фосфолипиды, гликолипиды и холестерол (рис. 4.2 - 4.4). Чаще всего встречаются глицерофосфолипиды - производные фосфатидной кислоты.

Рис. 4.1. Поперечный разрез плазматической мембраны

Рис. 4.2. Глицерофосфолипиды.

Фосфатидная кислота - это диацилглицеролфосфат. R 1 , R 2 - радикалы жирных кислот (гидрофобные «хвосты»). Со вторым углеродным атомом глицерола связан остаток полиненасыщенной жирной кислоты. Полярной «головкой» является остаток фосфорной кислоты и присоединенная к нему гидрофильная группа серина, холина, этаноламина или инозитола

Существуют также липиды - производные аминоспирта сфингозина.

Аминоспирт сфингозин при ацилировании, т.е. присоединении жирной кислоты к NH 2 -группе, превращается в церамид. Церамиды различаются по остатку жирной кислоты. С ОН-группой церамида могут быть связаны разные полярные группы. В зависимости от строения полярной «головки» эти производные разделены на две группы - фосфолипиды и гликолипиды. Строение полярной группы сфингофосфолипидов (сфингомиелинов) сходно с глицерофосфолипидами. Много сфингомиелинов содержится в составе миелиновых оболочек нервных волокон. Гликолипиды представляют собой углеводные производные церамида. В зависимости от строения углеводной составляющей различают цереброзиды и ганглиозиды.

Холестерол содержится в мембранах всех животных клеток, он придает мембранам жесткость и снижает их жидкостность (текучесть). Молекула холестерола располагается в гидрофобной зоне мембраны параллельно гидрофобным «хвостам» молекул фосфо- и гликолипидов. Гидроксильная группа холестерола, как и гидрофильные «головки» фосфо- и гликолипидов,

Рис. 4.3. Производные аминоспирта сфингозина.

Церамид - ацилированный сфингозин (R 1 - радикал жирной кислоты). К фосфолипидам относятся сфингомиелины, у которых полярная группа состоит из остатка фосфорной кислоты и холина, этаноламина или серина. Гидрофильной группой (полярной «головкой») гликолипидов является углеводный остаток. Цереброзиды содержат моноили олигосахаридный остаток линейного строения. В состав ганглиозидов входит разветвленный олигосахарид, одним из мономерных звеньев которого является НАНК - N-ацетилнейраминовая кислота

обращена к водной фазе. Молярное соотношение холестерола и других липидов в мембранах равно 0,3-0,9. Самое высокое значение имеет эта величина для цитоплазматической мембраны.

Увеличение содержания холестерола в мембранах уменьшает подвижность цепей жирных кислот, что влияет на конформационную лабильность мембранных белков и снижает возможность их латеральной диффузии. При повышении текучести мембран, вызванном действием на них липофильных веществ или перекисным окислением липидов, доля холестерола в мембранах возрастает.

Рис. 4.4. Положение в мембране фосфолипидов и холестерола.

Молекула холестерола состоит из жесткого гидрофобного ядра и гибкой углеводородной цепи. Полярной «головкой» является ОН-группа у 3-го углеродного атома молекулы холестерола. Для сравнения на рисунке представлено схематическое изображение фосфолипида мембран. Полярная головка этих молекул значительно больше и имеет заряд

Липидный состав мембран различен, содержание того или другого липида, по-видимому, определяется разнообразием функций, которые выполняют эти молекулы в мембранах.

Главные функции липидов мембран состоят в том, что они:

Формируют липидный бислой - структурную основу мембран;

Обеспечивают необходимую для функционирования мембранных белков среду;

Участвуют в регуляции активности ферментов;

Служат «якорем» для поверхностных белков;

Участвуют в передаче гормональных сигналов.

Изменение структуры липидного бислоя может привести к нарушению функций мембран.

2. Белки мембран. Белки мембран различаются по своему положению в мембране (рис. 4.5). Мембранные белки, контактирующие с гидрофобной областью липидного бислоя, должны быть амфифильными, т.е. иметь неполярный домен. Амфифильность достигается благодаря тому, что:

Аминокислотные остатки, контактирующие с липидным бислоем, в основном неполярны;

Многие мембранные белки ковалентно связаны с остатками жирных кислот (ацилированы).

Ацильные остатки жирных кислот, присоединенные к белку, обеспечивают его «заякоревание» в мембране и возможность латеральной диффузии. Кроме того, белки мембран подвергаются таким посттрансляционным модификациям, как гликозилирование и фосфорилирование. Гликозилирование наружной поверхности интегральных белков защищает их от повреждения протеазами межклеточного пространства.

Рис. 4.5. Белки мембран:

1, 2 - интегральные (трансмембранные) белки; 3, 4, 5, 6 - поверхностные белки. В интегральных белках часть полипептидной цепи погружена в липидный слой. Те участки белка, которые взаимодействуют с углеводородными цепями жирных кислот, содержат преимущественно неполярные аминокислоты. Участки белка, находящиеся в области полярных «головок», обогащены гидрофильными аминокислотными остатками. Поверхностные белки разными способами прикрепляются к мембране: 3 - связанные с интегральными белками; 4 - присоединенные к полярным «головкам» липидного слоя; 5 - «заякоренные» в мембране с помощью короткого гидрофобного концевого домена; 6 - «заякоренные» в мембране с помощью ковалентно связанного ацильного остатка

Наружный и внутренний слои одной и той же мембраны различаются по составу липидов и белков. Эта особенность в строении мембран называется трансмембранней асимметрией.

Белки мембран могут участвовать в:

Избирательном транспорте веществ в клетку и из клетки;

Передаче гормональных сигналов;

Образовании «окаймленных ямок», участвующих в эндоцитозе и экзоцитозе;

Иммунологических реакциях;

Качестве ферментов в превращениях веществ;

Организации межклеточных контактов, обеспечивающих образование тканей и органов.

ТЕМА 4.2. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ

Одна из главных функций мембран - регуляция переноса веществ в клетку и из клетки, удержание веществ, которые нужны клетке и выведение ненужных. Транспорт ионов, органических молекул через мембраны может проходить по градиенту концентрации - пассивный транспорт и против градиента концентрации - активный транспорт.

1. Пассивный транспорт может осуществляться следующими способами (рис. 4.6, 4.7):

Рис. 4.6. Механизмы переноса веществ через мембраны по градиенту концентрации

К пассивному транспорту относится диффузия ионов по белковым каналам, например диффузия Н+, Са 2 +, N+, К+. Функционирование большинства каналов регулируется специфическими лигандами или изменением трансмембранного потенциала.

Рис. 4.7. Са 2 +-канал мембраны эндоплазматического ретикулума, регулируемый инози- тол-1,4,5-трифосфатом (ИФ 3).

ИФ 3 (инозитол-1,4,5-трифосфат) образуется при гидролизе мембранного липида ФИФ 2 (фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата) под действием фермента фосфолипазы С. ИФ 3 связывается специфическими центрами протомеров Са 2 +- канала мембраны эндоплазматического ретикулума. Изменяется конформация белка и канал открывается - Са 2 + поступает в цитозоль клетки по градиенту концентрации

2. Активный транспорт. Первично-активный транспорт происходит против градиента концентрации с затратой энергии АТФ при участии транспортных АТФаз, например Na+, К+-АТФаза, Н+-АТФаза, Са 2 +-АТФаза (рис. 4.8). Н + -АТФазы функционируют как протонные насосы, с помощью которых создается кислая среда в лизосомах клетки. С помощью Са 2+ -АТФазы цитоплазматической мембраны и мембраны эндоплазматического ретикулума поддерживается низкая концентрация кальция в цитозоле клетки и создается внутриклеточное депо Са 2+ в митохондриях и эндоплазматическом ретикулуме.

Вторично-активный транспорт происходит за счет градиента концентрации одного из переносимых веществ (рис. 4.9), который создается чаще всего Na+, К+-АТФазой, функционирующей с затратой АТФ.

Присоединение в активный центр белка-переносчика вещества, концентрация которого выше, изменяет его конформацию и увеличивает сродство к соединению, которое проходит в клетку против градиента концентрации. Вторично-активный транспорт бывает двух типов: активный симпорт и антипорт.

Рис. 4.8. Механизм функционирования Са 2 +-АТФазы

Рис. 4.9. Вторично-активный транспорт

3. Перенос макромолекул и частиц с участием мембран - эндоцитоз и экзоцитоз.

Перенос из внеклеточной среды в клетку макромолекул, например белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов или еще более крупных частиц, происходит путем эндоцитоза. Связывание веществ или высокомолекулярных комплексов происходит в определенных участках плазматической мембраны, которые называются окаймленными ямками. Эндоцитоз, происходящий с участием рецепторов, встроенных в окаймленные ямки, позволяет клеткам поглощать специфические вещества и называется рецептор-зависимым эндоцитозом.

Макромолекулы, например пептидные гормоны, пищеварительные ферменты, белки внеклеточного матрикса, липопротеиновые комплексы, секретируются в кровь или межклеточное пространство путем экзоцитоза. Этот способ транспорта позволяет выводить из клетки вещества, которые накапливаются в секреторных гранулах. В большинстве случаев экзоцитоз регулируется путем изменения концентрации ионов кальция в цитоплазме клеток.

ТЕМА 4.3. ТРАНСМЕМБРАННАЯ ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ

Важное свойство мембран - способность воспринимать и передавать внутрь клетки сигналы из окружающей среды. Восприятие клетками внешних сигналов происходит при их взаимодействии с рецепторами, расположенными в мембране клеток-мишеней. Рецепторы, присоединяя сигнальную молекулу, активируют внутриклеточные пути передачи информации, это приводит к изменению скорости различных метаболических процессов.

1. Сигнальная молекула, специфически взаимодействующая с мембранным рецептором, называется первичным мессенджером. В качестве первичных мессенджеров выступают различные химические соединения - гормоны, нейромедиаторы, эйкозаноиды, ростовые факторы или физические факторы, например квант света. Рецепторы клеточной мембраны, активированные первичными мессенджерами, передают полученную информацию системе белков и ферментов, которые образуют каскад передачи сигнала, обеспечивающий усиление сигнала в несколько сот раз. Время ответа клетки, заключающееся в активации или инактивации метаболических процессов, мышечного сокращения, транспорта веществ из клеток-мишеней, может составлять несколько минут.

Мембранные рецепторы подразделяются на:

Рецепторы, содержащие субъединицу, связывающую первичный мессенджер, и ионный канал;

Рецепторы, способные проявлять каталитическую активность;

Рецепторы, с помощью G-белков активирующие образование вторичных (внутриклеточных) мессенджеров, передающих сигнал специфическим белкам и ферментам цитозоля (рис. 4.10).

Вторичные мессенджеры имеют небольшую молекулярную массу, с высокой скоростью диффундируют в цитозоле клетки, изменяют активность соответствующих белков, а затем быстро расщепляются или удаляются из цитозоля.

Рис. 4.10. Рецепторы, локализованные в мембране.

Мембранные рецепторы можно разделить на три группы. Рецепторы: 1 - содержащие субъединицу, связывающую сигнальную молекулу и ионный канал, например рецептор ацетилхолина на постсинаптической мембране; 2 - проявляющие каталитическую активность после присоединения сигнальной молекулы, например рецептор инсулина; 3, 4 - передающие сигнал на фермент аденилатциклазу (АЦ) или фосфолипазу С (ФЛС) при участии мембранных G-белков, например разные типы рецепторов адреналина, ацетилхолина и других сигнальных молекул

Роль вторичных мессенджеров выполняют молекулы и ионы:

ЦАМФ (циклический аденозин-3",5"-монофосфат);

ЦГМФ (циклический гуанозин-3",5"-монофосфат);

ИФ 3 (инозитол-1,4,5-трифосфат);

ДАГ (диацилглицерол);

Существуют гормоны (стероидные и тиреоидные), которые, проходя липидный бислой, проникают в клетку и взаимодействуют с внутриклеточными рецепторами. Физиологически важным различием между мембранными и внутриклеточными рецепторами является скорость ответа на поступающий сигнал. В первом случае эффект будет быстрым и непродолжительным, во втором - медленным, но длительным.

Рецепторы, сопряженные с G-белками

Взаимодействие гормонов с рецепторами, сопряженными с G-белками, приводит к активации инозитолфосфатной системы трансдукции сигнала или изменению активности аденилатциклазной регуляторной системы.

2. Аденилатциклазная система включает (рис. 4.11):

- интегральные белки цитоплазматической мембраны:

R s - рецептор первичного мессенджера - активатора аденилатциклазной системы (АЦС);

R ; - рецептор первичного мессенджера - ингибитора АЦС;

Фермент аденилатциклазу (АЦ).

- «заякоренные» белки:

G s - ГТФ-связывающий белок, состоящий из α,βγ-субъединиц, в котором (α,-субъединица связана с молекулой ГДФ;

Рис. 4.11. Функционирование аденилатциклазной системы

G ; - ГТФ-связывающий белок, состоящий из αβγ-субъединиц, в котором а; -субъединица связана с молекулой ГДФ; - цитозольный фермент протеинкиназу А (ПКА).

Последовательность событий передачи сигнала первичных мессенджеров с помощью аденилатциклазной системы

Рецептор имеет центры связывания первичного мессенджера на наружной поверхности мембраны и G-белка (α,βγ-ГДФ) на внутренней поверхности мембраны. Взаимодействие активатора аденилатциклазной системы, например гормона с рецептором (R s), приводит к изменению конформации рецептора. Увеличивается сродство рецептора к G..-белку. Присоединение комплекса гормон-рецептор к GS-ГДФ снижает сродство α,-субъединицы G..-белка к ГДФ и увеличивает сродство к ГТФ. В активном центре α,-субъединицы ГДФ замещается на ГТФ. Это вызывает изменение конформации субъединицы α, и снижение ее сродства к субъединицам βγ. Отделившаяся субъединица α,-ГТФ латерально перемещается в липидном слое мембраны к ферменту аденилатциклазе.

Взаимодействие α,-ГТФ с регуляторным центром аденилатциклазы изменяет конформацию фермента, приводит к его активации и увеличению скорости образования вторичного мессенджера - циклического аденозин- 3",5"-монофосфата (цАМФ) из АТФ. В клетке повышается концентрация цАМФ. Молекулы цАМФ могут обратимо соединяться с регуляторными субъединицами протеинкиназы А (ПКА), которая состоит из двух регуляторных (R) и двух каталитических (С) субъединиц - (R 2 С 2). Комплекс R 2 С 2 ферментативной активностью не обладает. Присоединение цАМФ к регуляторным субъединицам вызывает изменение их конформации и потерю комплементарности к С-субъединицам. Каталитические субъединицы приобретают ферментативную активность.

Активная протеинкиназа А с помощью АТФ фосфорилирует специфические белки по остаткам серина и треонина. Фосфорилирование белков и ферментов повышает или понижает их активность, поэтому изменяется скорость метаболических процессов, в которых они участвуют.

Активация сигнальной молекулой рецептора R стимулирует функционирование Gj-белка, которое протекает по тем же правилам, что и для G..-белка. Но при взаимодействии субъединицы α i -ГТФ с аденилатциклазой активность фермента снижается.

Инактивация аденилатциклазы и протеинкиназы А

α,-Субъединица в комплексе с ГТФ при взаимодействии с аденилатциклазой начинает проявлять ферментативную (ГТФ-фосфатазную) активность, она гидролизует ГТФ. Образующаяся молекула ГДФ остается в активном центре α,-субъединицы, изменяет ее конформацию и уменьшает сродство к АЦ. Комплекс АЦ и α,-ГДФ диссоциирует, α,-ГДФ включается в G..-белок. Отделение α,-ГДФ от аденилатциклазы инактивирует фермент и синтез цАМФ прекращается.

Фосфодиэстераза - «заякоренный» фермент цитоплазматической мембраны гидролизует образовавшиеся ранее молекулы цАМФ до АМФ. Снижение концентрации цАМФ в клетке вызывает расщепление комплекса цАМФ 4 К" 2 и повышает сродство R- и С-субъединиц, образуется неактивная форма ПКА.

Фосфорилированные ферменты и белки под действием фосфопротеинфосфатазы переходят в дефосфорилированную форму, изменяется их конформация, активность и скорость процессов, в которых участвуют эти ферменты. В результате система приходит в исходное состояние и готова вновь активироваться при взаимодействии гормона с рецептором. Таким образом, обеспечивается соответствие содержания гормона в крови и интенсивности ответа клеток-мишеней.

3. Участие аденилатциклазной системы в регуляции экспрессии генов. Многие белковые гормоны: глюкагон, вазопрессин, паратгормон и др., передающие свой сигнал посредством аденилатциклазной системы, могут не только вызвать изменение скорости реакций путем фосфорилирования уже имеющихся в клетке ферментов, но и увеличивать или уменьшать их количество, регулируя экспрессию генов (рис. 4.12). Активная протеинкиназа А может проходить в ядро и фосфорилировать фактор транскрипции (СRЕВ). Присоединение фосфорного

Рис. 4.12. Аденилатциклазный путь, приводящий к экспрессии специфических генов

остатка повышает сродство фактора транскрипции (СRЕВ-(Р) к специфиче-ской последовательности регуляторной зоны ДНК-СRЕ (цАМФ-response element) и стимулирует экспрессию генов определенных белков.

Синтезированные белки могут быть ферментами, увеличение количества которых повышает скорость реакций метаболических процессов, или мембранными переносчиками, обеспечивающими поступление или выход из клетки определенных ионов, воды или других веществ.

Рис. 4.13. Инозитолфосфатная система

Работу системы обеспечивают белки: кальмодулин, фермент протеинкиназа С, Са 2 +-кальмодулин-зависимые протеинкиназы, регулируемые Са 2 +-каналы мембраны эндоплазматического ретикулума, Са 2 +-АТФазы клеточной и митохондриальной мембран.

Последовательность событий передачи сигнала первичных мессенджеров с помощью инозитолфосфатной системы

Связывание активатора инозитолфосфатной системы с рецептором (R) приводит к изменению его конформации. Повышается сродство рецептора к Gф лс -белку. Присоединение комплекса первичный мессенджер-рецептор к Gф лс -ГДФ снижает сродство аф лс -субъединицы к ГДФ и увеличивает сродство к ГТФ. В активном центре аф лс -субъединицы ГДФ замещается на ГТФ. Это вызывает изменение конформации субъединицы аф лс и снижение сродства к субъединицам βγ, происходит диссоциация Gф лс -белка. Отделившаяся субъединица аф лс -ГТФ латерально перемещается по мембране к ферменту фосфолипазе С.

Взаимодействие аф лс -ГТФ с центром связывания фосфолипазы С изменяет конформацию и активность фермента, возрастает скорость гидролиза фосфолипида клеточной мембраны - фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфа- та (ФИФ 2) (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Гидролиз фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата (ФИФ 2)

В ходе реакции образуются два продукта - вторичные вестники гормонального сигнала (вторичные мессенджеры): диацилглицерол, который остается в мембране и участвует в активации фермента протеинкиназы С, и инозитол-1,4,5-трифосфат (ИФ 3), который, будучи гидрофильным соединением, уходит в цитозоль. Таким образом, сигнал, принятый рецептором клетки, раздваивается. ИФ 3 связывается специфическими центрами Са 2+ - канала мембраны эндоплазматического ретикулума (Э)), что приводит к изменению конформации белка и открытию Са 2+ -канала. Так как концентрация кальция в ЭР примерно на 3-4 порядка выше, чем в цитозоле, после открытия канала Са 2+ по градиенту концентрации поступает в цитозоль. В отсутствие ИФ 3 в цитозоле канал закрыт.

В цитозоле всех клеток содержится небольшой белок кальмодулин, имеющий четыре центра связывания Са 2+ . При повышении концентрации

кальция он активно присоединяется к кальмодулину, образуя комплекс 4Са 2+ -кальмодулин. Этот комплекс взаимодействует с Са 2+ -кальмодулинзависимыми протеинкиназами, другими ферментами и повышает их активность. Активированная Са 2 +-кальмодулин-зависимая протеинкиназа фосфорилирует определенные белки и ферменты, в результате чего изменяется их активность и скорость метаболических процессов, в которых они участвуют.

Повышение концентрации Са 2+ в цитозоле клетки увеличивает скорость взаимодействия Са 2 + с неактивным цитозольным ферментом протеинкиназой С (ПКС). Связывание ПКС с ионами кальция стимулирует перемещение белка к плазматической мембране и позволяет ферменту вступать во взаимодействие с отрицательно заряженными «головками» молекул фосфатидилсерина (ФС) мембраны. Диацилглицерол, занимая специфические центры в протеинкиназе С, в еще большей степени увеличивает ее сродство к ионам кальция. На внутренней стороне мембраны образуется активная форма ПКС (ПКС? Са 2 + ? ФС? ДАГ), которая фосфорилирует специфические ферменты.

Включение ИФ-системы непродолжительно, и после ответа клетки на стимул происходит инактивация фосфолипазы С, протеинкиназы С и Са 2 +-кальмодулин-зависимых ферментов. аф лс -Субъединица в комплексе с ГТФ и фосфолипазой С проявляет ферментативную (ГТФ-фосфатазную) активность, она гидролизует ГТФ. Связанная с ГДФ аф лс -субъединица теряет сродство к фосфолипазе С и возвращается в исходное неактивное состояние, т.е. включается в комплекс αβγ-ГДФ Gф лс -белок).

Отделение аф лс -ГДФ от фосфолипазы С инактивирует фермент и гидролиз ФИФ 2 прекращается. Повышение концентрации Са 2+ в цитозоле активирует работу Са 2+ -АТФаз эндоплазматического ретикулума, цитоплазматической мембраны, которые «выкачивают» Са 2 + из цитозоля клетки. В этом процессе принимают участие также Na+/Са 2 +- и Н+/Са 2 +-переносчики, функционирующие по принципу активного антипорта. Снижение концентрации Са 2+ приводит к диссоциации и инактивации Са 2+ -кальмодулинзависимых ферментов, а также потере сродства протеинкиназы С к липидам мембраны и снижению ее активности.

ИФ 3 и ДАГ, образовавшиеся в результате активации системы, могут снова взаимодействовать друг с другом и превращаться в фосфатидилинозитол- 4,5-бисфосфат.

Фосфорилированные ферменты и белки под действием фосфопротеинфосфатазы переходят в дефосфорилированную форму, изменяется их конформация и активность.

5. Каталитические рецепторы. Каталитические рецепторы являются ферментами. Активаторами этих ферментов могут быть гормоны, ростовые факторы, цитокины. В активной форме - рецепторы-ферменты фосфорилируют специфические белки по -ОН-группам тирозина, поэтому их называют тирозиновыми протеинкиназами (рис. 4.15). При участии специальных механизмов сигнал, полученный каталитическим рецептором, может быть передан в ядро, где он стимулирует или подавляет экспрессию определенных генов.

Рис. 4.15. Активация рецептора инсулина.

Фосфопротеинфосфатаза дефосфорилирует специфические фосфопротеины.

Фосфодиэстераза превращает цАМФ в АМФ и цГМФ в ГМФ.

ГЛЮТ 4 - переносчики глюкозы в инсулинзависимых тканях.

Тирозиновая протеинфосфатаза дефосфорилирует β-субъединицы рецептора

инсулина

Примером каталитического рецептора может служить рецептор инсулина, в состав которого входят две а- и две β-субъединицы. а-Субъединицы расположены на наружной поверхности клеточной мембраны, β-субъединицы пронизывают мембранный бислой. Центр связывания инсулина образован N-концевыми доменами а-субъединиц. Каталитический центр рецептора находится на внутриклеточных доменах β-субъединиц. Цитозольная часть рецептора имеет несколько остатков тирозина, которые могут фосфорилироваться и дефосфорилироваться.

Присоединение инсулина в центр связывания, образованный а-субъединицами, вызывает кооперативные конформационные изменения рецептора. β-Субъединицы проявляют тирозинкиназную активность и катализируют трансаутофосфорилирование (первая β-субъединица фосфорилирует вторую β-субъединицу, и наоборот) по нескольким остаткам тирозина. Фосфорилирование приводит к изменению заряда, конформации и субстратной специфичности фермента (Тир-ПК). Тирозиновая-ПК фосфорилирует определенные клеточные белки, которые получили название субстратов рецептора инсулина. В свою очередь эти белки участвуют в активации каскада реакций фосфорилирования:

фосфопротеинфосфатазы (ФПФ), которая дефосфорилирует специфические фосфопротеины;

фосфодиэстеразы, которая превращает цАМФ в АМФ и цГМФ в ГМФ;

ГЛЮТ 4 - переносчиков глюкозы в инсулинзависимых тканях, поэтому повышается поступление глюкозы в клетки мышц и жировой ткани;

тирозиновой протеинфосфатазы, которая дефосфорилирует β-субъединицы рецептора инсулина;

регуляторных белков ядра, факторов транскрипции, повышающих или снижающих экспрессию генов определенных ферментов.

Реализация эффекта ростовых факторов может осуществляться с помощью каталитических рецепторов, которые состоят из одной полипептидной цепи, но при связывании первичного мессенджера образуют димеры. Все рецепторы этого типа имеют внеклеточный гликозилированный домен, трансмембранный (а-спираль) и цитоплазматический домен, способный при активации проявлять протеинкиназную активность.

Димеризация способствует активации их каталитических внутриклеточных доменов, которые осуществляют трансаутофосфорилирование по аминокислотным остаткам серина, треонина или тирозина. Присоединение фосфорных остатков приводит к формированию у рецептора центров связывания для специфических цитозольных белков и активации протеинкиназного каскада передачи сигнала (рис. 4.16).

Последовательность событий передачи сигнала первичных мессенджеров (ростовых факторов) при участии Ras- и Raf-белков.

Связывание рецептора (R) с фактором роста (ФР) приводит к его димеризации и трансаутофосфорилированию. Фосфорилированный рецептор приобретает сродство к Grb2-белку. Образованный комплекс ФР*R*Grb2 взаимодействует с цитозольным белком SOS. Изменение конформации SOS

обеспечивает его взаимодействие с заякоренным белком мембраны Ras-ГДФ. Образование комплекса ФР?R?Gгb2?SOS?Ras-ГДФ снижает сродство Ras- белка к ГДФ и увеличивает сродство к ГТФ.

Замена ГДФ на ГТФ изменяет конформацию Ras-белка, который отделяется от комплекса и взаимодействует с Raf-белком в примембранной области. Комплекс Ras-ГТФ?Raf проявляет протеинкиназную активность и фосфорилирует фермент МЕК-киназу. Активированная МЕК-киназа в свою очередь фосфорилирует МАП-киназу по треонину и тирозину.

Рис.4.16. МАП-киназный каскад.

Рецепторы такого типа имеют эпидермальный фактор роста (ЭФР), фактор роста нервов (ФРН) и другие ростовые факторы.

Grb2 - протеин, взаимодействующий с рецептором ростового фактора (growth receptor binding protein); SOS (GEF) - ГДФ-ГТФ обменный фактор (guanine nucleotide exchange factor); Ras - G-белок (гуанидинтрифосфатаза); Raf-киназа - в активной форме - фосфорилирующая МЕК-киназу; МЕК-киназа - киназа МАП-киназы; МАП-киназа - митогенактивированная протеинкиназа (mitogen-aktivated protein kinase)

Присоединение группы -РО 3 2- к аминокислотным радикалам МАП-киназы изменяет ее заряд, конформацию и активность. Фермент фосфорилирует по серину и треонину специфические белки мембран, цитозоля и ядра.

Изменение активности этих белков оказывает влияние на скорость метаболических процессов, функционирование мембранных транслоказ, митотическую активность клеток-мишеней.

Рецепторы с гуанилатциклазной активностью также относятся к каталитическим рецепторам. Гуанилатциклаза катализирует образование из ГТФ цГМФ, который является одним из важных мессенджеров (посредников) внутриклеточной передачи сигнала (рис. 4.17).

Рис. 4.17. Регуляция активности мембранной гуанилатциклазы.

Мембранно-связанная гуанилатциклаза (ГЦ) - трансмембранный гликопротеин. Центр связывания сигнальной молекулы находится на внеклеточном домене, внутриклеточный домен гуанилатциклазы в результате активации проявляет каталитическую активность

Присоединение первичного мессенджера к рецептору активирует гуанилатциклазу, которая катализирует превращение ГТФ в циклический гуанозин-3",5"-монофосфат (цГМФ) - вторичный мессенджер. В клетке повышается концентрация цГМФ. Молекулы цГМФ могут обратимо присоединяться к регуляторным центрам протеинкиназы G (ПКЧ5), которая состоит из двух субъединиц. Четыре молекулы цГМФ изменяют конформацию и активность фермента. Активная протеинкиназа G катализирует фосфорилирование определенных белков и ферментов цитозоля клетки. Одним из первичных мессенджеров протеинкиназы G является предсердный натриуретический фактор (ПНФ), регулирующий гомеостаз жидкости в организме.

6. Передача сигнала с помощью внутриклеточных рецепторов. Гидрофобные по химической природе гормоны (стероидные гормоны и тироксин) могут диффундировать через мембраны, поэтому их рецепторы находятся в цитозоле или ядре клетки.

Цитозольные рецепторы связаны с белком-шапероном, который предотвращает преждевременную активацию рецептора. Ядерные и цитозольные рецепторы стероидных и тиреоидных гормонов содержат ДНКсвязывающий домен, обеспечивающий в ядре взаимодействие комплекса гормон-рецептор с регуляторными участками ДНК и изменение скорости транскрипции.

Последовательность событий, приводящих к изменению скорости транскрипции

Гормон проходит через двойной липидный слой клеточной мембраны. В цитозоле или ядре гормон взаимодействует с рецептором. Комплекс гормон-рецептор проходит в ядро и присоединяется к регуляторной нуклеотидной последовательности ДНК - энхансеру (рис. 4.18) или сайленсеру. Доступность промотора для РНК-полимеразы увеличивается при взаимодействии с энхансером или уменьшается при взаимодействии с сайленсером. Соответственно увеличивается или уменьшается скорость транскрипции определенных структурных генов. Зрелые мРНК выходят из ядра. Увеличивается или уменьшается скорость трансляции определенных белков. Изменяется количество белков, которые влияют на метаболизм и функциональное состояние клетки.

В каждой клетке существуют рецепторы, включенные в состав разных сигнал-трансдукторных систем, преобразующих все внешние сигналы во внутриклеточные. Число рецепторов для конкретного первичного мессенджера может варьировать в пределах от 500 до более 100 000 на клетку. Они располагаются на мембране отдаленно друг от друга либо сосредоточены в определенных ее участках.

Рис. 4.18. Передача сигнала на внутриклеточные рецепторы

б) из таблицы выберите липиды, участвующие в:

1. Активации протеинкиназы С

2. Реакции образования ДАГ под действием фосфолипазы С

3. Формировании миелиновых оболочек нервных волокон

в) напишите реакцию гидролиза липида, выбранного вами в п. 2;

г) укажите, какой из продуктов гидролиза участвует в регуляции Са 2 +-канала эндоплазматического ретикулума.

2. Выберите правильные ответы.

На конформационную лабильность белков-переносчиков может влиять:

Б. Изменение электрического потенциала на мембране

B. Присоединение специфических молекул Г. Жирнокислотный состав липидов бислоя Д. Количество переносимого вещества

3. Установите соответствие:

A. Кальциевый канал ЭР Б. Са 2 +-АТФаза

Г. Ка+-зависимый переносчик Са 2 + Д. N+, К+-АТФаза

1. Переносит Na+ по градиенту концентрации

2. Функционирует по механизму облегченной диффузии

3. Переносит Na+ против градиента концентрации

4. Перенесите табл. 4.2. в тетрадь и заполните ее.

Таблица 4.2. Аденилатциклазная и инозитолфосфатная системы

Строение и этапы функционирования	Аденилатциклазная система	Инозитолфосфатная система
Пример первичного мессенджера системы
Интегральный белок клеточной мембраны, взаимодействующий комплементарно с первичным мессенджером
Белок, активирующий фермент сигнальной системы
Фермент системы, образующий вторичный (е) мессенджер (ы)
Вторичный (ые) мессенджер (-ы) системы
Цитозольный (е) фермент (ы) системы, взаимодействующий (е) с вторичным мессенджером
Механизм регуляции (в данной системе) активности ферментов метаболических путей
Механизмы снижения концентрации вторичных мессенджеров в клетке-мишени
Причина снижения активности мембранного фермента сигнальной системы

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Установите соответствие:

A. Пассивный симпорт Б. Пассивный антипорт

B. Эндоцитоз Г. Экзоцитоз

Д. Первично-активный транспорт

1. Транспорт вещества в клетку происходит вместе с частью плазматической мембраны

2. Одновременно в клетку по градиенту концентрации проходят два разных вещества

3. Перенос веществ идет против градиента концентрации

2. Выберите правильный ответ.

ag -Субъединица G-белка, связанная с ГТФ, активирует:

A. Рецептор

Б. Протеинкиназу А

B. Фосфодиэстеразу Г. Аденилатциклазу Д. Протеинкиназу С

3. Установите соответствие.

Функция:

A. Регулирует активность каталитического рецептора Б. Активирует фосфолипазу С

B. Переводит в активную форму протеинкиназу А

Г. Повышает концентрацию Са 2+ в цитозоле клетки Д. Активирует протеинкиназу С

Вторичный мессенджер:

4. Установите соответствие.

Функционирование:

A. Способен к латеральной диффузии в бислое мембраны

Б. В комплексе с первичным мессенджером присоединяется к энхансеру

B. Проявляет ферментативную активность при взаимодействии с первичным мессенджером

Г. Может взаимодействовать с G-белком

Д. В процессе передачи сигнала взаимодействует с фосфолипазой С Рецептор:

1. Инсулина

2. Адреналина

3. Стероидного гормона

5. Выполните «цепное» задание:

а) пептидные гормоны взаимодействуют с рецепторами:

A. В цитозоле клетки

Б. Интегральными белками мембран клеток-мишеней

B. В ядре клетки

Г. Ковалентно связанными с ФИФ 2

б) взаимодействие такого рецептора с гормоном вызывает повышение концентрации в клетке:

A. Гормона

Б. Промежуточных метаболитов

B. Вторичных мессенджеров Г. Ядерных белков

в) этими молекулами могут быть:

A. ТАГ Б. ГТФ

B. ФИФ 2 Г. цАМФ

г) они активируют:

A. Аденилатциклазу

Б. Са 2+ -зависимый кальмодулин

B. Протеинкиназу А Г. Фосфолипазу С

д) этот фермент изменяет скорость метаболических процессов в клетке путем:

A. Повышения концентрации Са 2 + в цитозоле Б. Фосфорилирования регуляторных ферментов

B. Активации протенфосфатазы

Г. Изменения экспрессии генов регуляторных белков

6. Выполните «цепное» задание:

а) присоединение фактора роста (ФР) к рецептору (R) приводит к:

A. Изменению локализации комплекса ФР-R

Б. Димеризации и трансаутофосфорилированию рецептора

B. Изменению конформации рецептора и присоединению к Gs-белку Г. Перемещению комплекса ФР-R

б) такие изменения в структуре рецептора увеличивают его сродство к поверхностному белку мембраны:

Б. Raf Г. Grb2

в) это взаимодействие повышает вероятность присоединения к комплексу цитозольного белка:

А. Кальмодулина B. Ras

Б. ПКС Г. SOS

г) который увеличивает комплементарность комплекса к «заякоренному» белку:

д) изменение конформации «заякоренного» белка снижает его сродство к:

А. цАМФ B. ГТФ

Б. ГДФ Г. АТФ

е) это вещество заменяется на:

А. ГДФ B. АМФ

Б. цГМФ Г. ГТФ

ж) присоединение нуклеотида способствует взаимодействию «заякоренного» белка с:

А. ПКА B. Кальмодулином

з) этот белок входит в состав комплекса, который фосфорилирует:

А. МЕК-киназу В. Протеинкиназу С

Б. Протеинкиназу А Г. МАП-киназу

и) этот фермент в свою очередь активирует:

А. МЕК-киназу В. Протеинкиназу G

Б. Raf-белок Г. МАП-киназу

к) фосфорилирование белка повышает его сродство к:

А. Белкам SOS и Raf В. Регуляторным белкам ядра Б. Кальмодулину Г. Ядерным рецепторам

л) активация этих белков приводит к:

A. Дефосфорилированию ГТФ в активном центре белка Ras Б. Снижению сродства рецептора к фактору роста

B. Повышению скорости матричных биосинтезов Г. Диссоциации комплекса SOS-Grb2

м) вследствие этого:

A. Белок SOS отделяется от рецептора

Б. Происходит диссоциация протомеров рецептора (R)

B. Ras-белок отделяется от Raf-белка

Г. Возрастает пролиферативная активность клетки-мишени.

ЭТАЛОНЫ ОТВЕТОВ К «ЗАДАНИЯМ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ»

1. 1-В, 2-А, 3-Д

3. 1-В, 2-Д, 3-Г

4. 1-В, 2-Г, 3-Б

5. а) Б, б) В, в) Г, г) В, д) Б

6. а) Б, б) Г, в) Г, г) А, д) Б, е) Г, ж) Г, з) А, и) Г, к) В, л) В, м) Г

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ

1. Структура и функции мембран

2. Транспорт веществ через мембраны

3. Особенности строения белков мембран

4. Трансмембранные системы передачи сигналов (аденилатциклазная, инозитолфосфатная, гуанилатциклазная, каталитические и внутриклеточные рецепторы)

5. Первичные мессенджеры

6. Вторичные мессенджеры (посредники)

ЗАДАНИЯ ДЛЯ АУДИТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Ознакомьтесь с рис. 4.19 и выполните следующие задания:

а) назовите вид транспорта;

б) установите порядок событий:

A. Cl - по градиенту концентрации выходит из клетки

Б. Протеинкиназа А фосфорилирует R-субъединицу канала

B. Изменяется конформация R-субъединицы

Г. Происходят кооперативные конформационные изменения мембранного белка

Д. Активируется аденилатциклазная система

Рис. 4.19. Функционирование С1 - -канала эндотелия кишечника.

R - регуляторный белок, который переходит в фосфорилированную форму под действием протеинкиназы А (ПКА)

в) сравните функционирование Са 2+ -канала мембраны эндоплазматического ретикулума и Cl - -канала клетки эндотелия кишечника, заполнив табл. 4.3.

Таблица 4.3. Способы регуляции функционирования каналов

Решите задачи

1. Сокращение сердечной мышцы активирует Са 2 +, содержание которого в цитозоле клетки повышается за счет функционирования цАМФ-зависимых переносчиков цитоплазматической мембраны. В свою очередь, концентрация цАМФ в клетках регулируется двумя сигнальными молекулами - адреналином и ацетилхолином. Причем известно, что адреналин, взаимодействуя с β 2 -адренорецепторами, повышает концентрацию цАМФ в клетках миокарда и стимулирует сердечный выброс, а ацетилхолин, взаимодействуя с М 2 -холинорецепторами, снижает уровень цАМФ и сократимость миокарда. Объясните, почему два первичных мессенджера, используя одну и ту же систему трансдукции сигнала, вызывают различный клеточный ответ. Для этого:

а) представьте схему передачи сигнала для адреналина и ацетилхолина;

б) укажите различие в каскадах передачи сигналов этих мессенджеров.

2. Ацетилхолин, взаимодействуя с М 3 -холинорецепторами слюнных желез, стимулирует выход Са 2+ из ЭР. Повышение концентрации Са 2+ в цитозоле обеспечивает экзоцитоз секреторных гранул и высвобождение в слюнной проток электролитов и небольшого количества белков. Объясните, как регулируется работа Са 2+ -каналов ЭР. Для этого:

а) назовите вторичный мессенджер, обеспечивающий открытие Са 2+ -каналов ЭР;

б) напишите реакцию образования вторичного мессенджера;

в) представьте схему трансмембранной передачи сигнала ацетилхолина, в ходе активации которой образуется регуляторный лиганд Са 2+ -кана-

3. Исследователи рецептора инсулина установили значительное изменение в гене белка - одного из субстратов инсулинового рецептора. Как нарушение в структуре этого белка скажется на функционировании системы передачи сигнала инсулина? Для ответа на вопрос:

а) приведите схему трансмембранной передачи сигнала инсулина;

б) назовите белки и ферменты, которые активирует инсулин в клеткахмишенях, укажите их функцию.

4. Белок Ras является «заякоренным» белком цитоплазматической мембраны. Функцию «якоря» выполняет 15-углеродный остаток фарнезила Н 3 С-(СН 3)С=СН-СН 2 -[СН 2 -(СН 3)С=СН-СН 2 ] 2 -, который присоединяется к белку ферментом фарнезилтрансферазой в ходе посттрансляционной модификации. В настоящее время ингибиторы этого фермента проходят клинические испытания.

Почему использование этих препаратов приводит к нарушению трансдукции сигнала ростовых факторов? Для ответа:

а) представьте схему передачи сигнала с участием Ras-белков;

б) объясните функцию Ras-белков и последствия нарушения их ацилирования;

в) предположите, для лечения каких заболеваний были разработаны эти препараты.

5. Стероидный гормон кальцитриол активирует всасывание пищевого кальция, увеличивая количество белков-переносчиков Са 2+ в клетках кишечника. Объясните механизм действия кальцитриола. Для этого:

а) приведите общую схему передачи сигнала стероидных гормонов и опишите ее функционирование;

б) назовите процесс, который активирует гормон в ядре клетки-мишени;

в) укажите, в каком матричном биосинтезе будут участвовать молекулы, синтезированные в ядре, и где он протекает.

Ответ клетки-мишени на действие гормона формируется созданием гормонрецепторного (ГР) комплекса, что приводит к активации самого рецептора, инициации ответа клетки. Гормон адреналин при взаимодействии с рецептором открывает мебранная каналы, a Na + - входной ионный ток обусловливает функцию клетки. Однако большинство гормонов открывают или закрывают мембранные каналы не самостоятельно, а во взаимодействии с G-белком.

Механизм действия гормонов на клетки-мишени связан с их химическим строением:

■ водорастворимые гормоны - белки и полипептиды, а также производные аминокислоты - катехоламины, взаимодействуют с рецепторами мембраны клетки-мишени, образуя комплекс «гормон - рецептор" (ГР). Возникновение этого комплекса приводит к образованию вторичного или внутриклеточного посредника (мессенджера), с которым связаны изменения функции клетки. Количество рецепторов на поверхности мембраны клетки-мишени составляет примерно 104-105;

■ жирорастворимые гормоны - стероидные - проходят сквозь мембрану клетки-мишени и взаимодействуют с плазматическими рецепторами, количество которых колеблется от 3000 до 104, образуя комплекс ГР, который далее поступает к мембране ядра. Стероидные гормоны и производные аминокислоты тирозина - тироксин и трийодтиронин - проникают через ядерную мембрану и взаимодействуют с ядерными рецепторами, соединенными с одной или более хромосом, следствием чего являются изменения синтеза белка в клетке-мишени.

Согласно современным представлениям, действие гормонов обусловлена стимуляцией или угнетением каталитической функции некоторых ферментов в клетках-мишенях. Этот эффект может достигаться двумя путями:

■ взаимодействием гормона с рецепторами поверхности клеточной мембраны и запуска цепи биохимических превращений в мембране и цитоплазме;

■ проникновением гормона через мембрану и связывания с рецепторами цитоплазмы, после чего гормонрецепторний комплекс проникает в ядро и органеллы клетки, где и реализует свой регуляторный эффект путем синтеза новых ферментов.

Первый путь приводит к активации мембранных ферментов и образования вторичных мессенджеров. На сегодня известно четыре системы вторичных мессенджеров:

■ аденилатциклаза - цАМФ;

■ гуанилатциклаза - цГМФ;

■ фосфолипаза - инозитолтрифосфат;

■ кальмодулин - ионизированный Са 2+.

Второй путь влияния на клетки-мишени - комплексирования гормона с рецепторами, которые содержатся в ядре клетки, ведет к активации или торможения ее генетического аппарата.

Мембранные рецепторы и вторичные посредники (мессенджеры)

Гормоны, связываясь с рецепторами мембраны клетки-мишени, образуют комплекс "гормон - рецептор" ГР (шаг 1) (рис. 6.3). Конформационные изменения рецептора активируют стимулирующий G-белок (объединенный с рецептором), который представляет собой комплекс из трех субъединиц (α-, β-, γ-) и гуанозиндифосфат (ГДФ). замена

ТАБЛИЦА 6.11. Краткая характеристика гормонов

Где продуцируются гормоны		Название гормона		сокращенное название	Влияния на клетки-мишени
гипоталамус		Тиреотропин-рилизинг-гормон			Стимулирует продукцию аденогипофизом тиреотропину
гипоталамус		Кортикотропин-рилизинг-гормон			Стимулирует продукцию аденогипофизом АКТГ
гипоталамус		Гонадотропин-рилизинг-гормон			Стимулирует продукцию аденогипофизом лютеинизирующего (ЛГ) и фолликулостимулирующего (ФСП гормонов
гипоталамус		Рилизинг-фактор гормона роста			Стимулирует продукцию аденогипофизом соматотропина - гормона роста
гипоталамус		соматостатин			Подавляет продукцию аденогипофизом гормона роста
гипоталамус		Пролактин-ингибирующий фактор (допамин)			Подавляет продукцию аденогипофизом пролактина
гипоталамус		Пролактинстимулюючий фактор			Стимулирует продукцию аденогипофизом пролактина
гипоталамус		окситоцин			Стимулирует выделение молока, сокращение матки
гипоталамус		Вазопрессин - антидиуретический гормон			Стимулирует реабсорбцию воды в дистальном отделе нефрона
Передняя доля гипофиза		ТТГ, или тиреостимулирующие гормон		ТТГ абоТСГ	Стимулирует синтез и секрецию щитовидной железой тироксина, трийодтиронина
Передняя доля гипофиза					Стимулирует секрецию корой надпочечников глюкокортикоидов (кортизола)
Передняя доля гипофиза		фолликулостимулирующий гормон			Стимулирует рост фолликулов и секрецию эстрогенов яичниками
Передняя доля гипофиза		лютеинизирующий гормон			Стимулирует овуляцию, образование желтого тела, а также синтез эстрогенов и прогестерона яичниками
Передняя доля гипофиза		Гормон роста, или соматотропный гормон			Стимулирует синтез белка и рост в целом
Передняя доля гипофиза		пролактин			Стимулирует продукцию и секрецию молока
Передняя доля гипофиза		β-липотропин
Промежуточная доля гипофиза		Мелзнотропин			Стимулирует синтез меланина у рыб, амфибий, рептилий (у людей стимулирует рост скелета (оссификация костей), увеличивает интенсивность метаболизма, теплопродукции, увеличивает утилизацию клетками белков, жиров, углеводов, стимулирует становление умственных функций после рождения ребенка
щитовидная железа		L-тироксин
		трийодтиронин
Кора надпочечников (сетчатая зона)		половые гормоны			Стимулируют продукцию дигидрогепиандростерону и андростендиона
Кора надпочечников (пучковая зона)		Глюкокортикоидов (кортизол)			Стимулирует глюконеогенез, противовоспалительное действие, подавляет иммунную систему
Кора надпочечников (клубочковая зона)		альдостерон			Увеличивает реабсорбцию ионов Na +, секрецию ионов К + в канальцах нефрона
мозговая вещество надпочечников		Адреналин, норадреналин			Активация альфа-, бета-адренорецепторов
		эстрогены			Рост и развитие женских половых органов, пролиферативная фаза менструального цикла
		прогестерон			Секреторная фаза менструального цикла
		тестостерон			Сперматогенез, вторичные половые мужские признаки
Пара щитовидные железы		Парат гормон (паратиреоидний гормон)			Увеличивает концентрацию ионов Са 2+ в крови (деминерализация костей)
Щитовидная железа (С-клетки)	кальцитонин					Уменьшает концентрацию ионов Ca2 + в крови
Активация в почках	1,25-дигидроксихолекальциферол (кальцитриол)					Увеличивает всасывание в кишечнике ионов Са 2+
Поджелудочная железа - бета-клетки						Уменьшает концентрацию глюкозы в крови
Поджелудочная железа - альфа-клетки	глюкагон					Увеличивает концентрацию глюкозы в крови
плацента	Хориональний гонадотропин человека					Увеличивает синтез эстрогена и прогестерона
плацента	Плацентарный лактоген человека					Действует подобно гормона роста и пролактина во время беременности

РИС. 6.3. Схема механизма действия гормона с образованием вторичного внутриклеточного посредника цАМФ. ГДФ - гуаниндифосфат, ГТФ - гуанинтрифосфат

ГДФ на гуанозинтрифосфат ГТФ (шаг 2) приводит к отрыву α-субъединицы, которая тут же взаимодействует с другими сигнальными белками, изменяя активность ионных каналов или клеточных ферментов - аденилатциклазы или фосфолипазы С - и функцию клетки.

Действие гормонов на клетки-мишени с образованием вторичного посредника цАМФ

Активированный мембранный фермент аденилатциклаза превращает АТФ на вторичный посредник - циклического аденозинмонофосфата цАМФ (шаг 3) (см. Рис. 6.3), который в свою очередь активирует фермент протеин киназу А (шаг 4), что приводит к фосфорилирования специфических белков (шаг 5) , следствием чего является изменение физиологической функции (шаг 6), например, образование новых мембранных каналов для ионов кальция, что приводит к росту силы сердечных сокращений.

Вторичный посредник цАМФ распадается под воздействием фермента фосфодиэстеразы в неактивной формы 5"-АМФ.

Некоторые гормоны (натрийуретический) взаимодействуют с тормозными G-белками, что приводит к снижению активности мембранных ферментов аденилатциклазы, уменьшение функции клетки.

Действие гормонов на клетки-мишени с образованием вторичных посредников - диацилглицеролу и инозитол-3-фосфат

Гормон образует комплекс с рецептором мембраны - ОС (шаг 1) (рис. 6.4) и через G-белок (шаг 2) активирует фосфолипазу С, прикрепленную к внутренней поверхности рецептора (шаг 3).

Под влиянием фосфолипазы С, которая гидролизует мембранные фосфолипиды (фосфатидилинозитолбифосфат), образуются два вторичных посредников - диацилглицерол (ДГ) и инозитол-3-фосфат (ИФ3) (шаг 4).

Вторичный посредник ИФ3 мобилизует выход ионов Са 2+ из митохондрий и эндоплазматического ретикулума (шаг 5), которые ведут себя как вторичные посредники. Ионы Ca2 + вместе с ДГ (липидный вторичный посредник) активируют фермент протеинкиназа С (шаг 6), которая фосфорилирует белки и вызывает изменение физиологических функций клетки-мишени.

Действие гормонов с помощью систем "кальций - кальмодулин", который выступает в роли вторичного посредника. Кальций при проникновении в клетку связывается с кальмодулином и активирует его. Активированный кальмодулин, в свою очередь, повышает активность протеинкиназы, которая приводит к фосфорилирования белков, изменения функций клетки.

Действие гормонов на генетический аппарат клетки

Жирорастворимые стероидные гормоны проходят сквозь мембрану клетки-мишени (шаг 1) (рис. 6.5), где связываются с белками-рецепторами цитоплазмы. Образованный комплекс ГР (шаг 2) диффундирует в ядро и связывается со специфическими участками ДНК хромосомы (шаг 3), активируя процесс транскрипции путем образования мРНК (шаг 4). мРНК переносит матрицу в цитоплазму, где обеспечивает процессы трансляции на рибосомах (шаг 5), синтез новых белков (шаг 6), что приводит к изменению физиологических функций.

Жирорастворимые тиреоидные гормоны - тироксин и трийодтиронин - проникают в ядро, где связывается с белком-рецептором, который представляет собой протеины, которые находятся на хромосомах ДНК. Эти рецепторы контролируют функцию как промоутеров, так и операторов генов.

Гормоны активируют генетические механизмы, которые находятся в ядре, благодаря чему производится более 100 типов клеточных белков. Многие из них являются ферментами, которые повышают метаболическую активность клеток организма. Однократно прореагировав с внутриклеточными рецепторами, тиреоидные гормоны обеспечивают контроль экспрессии гена на несколько недель.

Вторичные посредники (вторичные мессенджеры) – компоненты системы передачи сигнала в клетке. Представляют собой низкомолекулярные химические соединения, имеющие специфическую систему синтеза и распада. В покое их мало. Концентрация ВП быстро изменяется под действием внеклеточных сигналов (гормонов, нейромедиаторов). ВП имеют четкие специфические мишени (эффекторные белки), через которые опосредуют ответ клетки.

ВП характеризуются следующими свойствами: имеют небольшую молекулярную массу и с высокой скоростью диффундируют в цитоплазме; быстро расщепляются и быстро удаляются из цитоплазмы. Вторичные посредники должны иметь высокую скорость синтеза и распада: при низкой скорости метаболизма они не буду успевать за быстрыми изменениями в стимуляции рецептора.

Выделяют 3 группы вторичных посредников.

- Гидрофильные молекулы (цАМФ, цГМФ, IP 3 , Ca 2+ , Н 2 О 2) действуют в цитозоле.

- Гидрофобные молекулы (диацилглицеролы ДАГ и фосфатидилинозитолы PIP n ) действуют в мембранах локально.

- Газы (NO, CO, H2S) являются короткоживущими, но относительно стабильными, продуктами активных форм кислорода; они растворимы в цитозоле и могут проникать в клетку извне через плазматическую мембрану.

Сигнальные системы с использованием вторичных посредников имеют три уровня усиления сигнала . Первое усиление происходит на уровне мембраны. Пока Рецептор связан с лигандом, он активирует несколько мишеней (G-белков). Пока ГТФ находится в активном центре G-белка, он в свою очередь, активирует несколько эффекторов. Эти эффекторы составляют второй, и самый мощный, уровень усиления сигнала. Как правило, они являются ферментами с высокой каталитической силой и числом оборотов. В их задачу входит синтез многочисленных вторичных посредников. Это составляет третий этап усиления.

Вторичные посредники участвуют в передаче сигналов от мембранных рецепторов, сопряженных с G-белками.

Пути сигнальной трансдукции с участием G-белков - протеинкиназ включает следующие этапы .

1) Лиганд связывается с рецептором на мембране клетки.

2) Связанный с лигандом рецептор, взаимодействуя с G-белком, активирует его, и активированный G-белок связывает ГТФ.

3) Активированный G-белок взаимодействует с одним или несколькими следующими соединениями: аденилатциклазой, фосфодиэстеразой, фосфолипазами С, А 2 , D, активируя или ингибируя их.

4) Внутриклеточный уровень одного или нескольких вторичных мессенджеров, таких, как цАМФ, цГМФ, Са 2+ , IP 3 или DAG, возрастает или снижается.

5) Увеличение или уменьшение концентрации вторичного мессенджера влияет на активность одной или нескольких зависимых от него протеинкиназ, таких, как цАМФ-зависимая протеинкиназа (протеинкиназа А), цГМФ-зависимая протеинкиназа (ПКG), кальмодулинзависимая протеинкиназа (КМПК), протеинкиназа С. Изменение концентрации вторичного мессенджера может активировать тот или иной ионный канал.

6) Уровень фосфорилирования фермента или ионного канала изменяется, что влияет на активность ионного канала, обуславливая конечный ответ клетки.

(Более подробная схема):

5. Классификация мембранных рецепторов.

По структуре и механизму действия, 4 основные группы, являющихся интегральными мембранными белками. Рецепторы, непосредственно сопряженные с ионными каналами (N-холиноРецепторы, например) (ligand-gated ion channels, LGIC) и Рецепторы, сопряженные с тримерными G-белками (М-холиноРецепторы, например)(G-protein coupled receptors, GPCR) составляют две наиболее известные и характеризованные группы. В группе рецепторов, непосредственно сопряженных с ферментами (Рецепторы инсулина, непосредственно сопряженные с тирозинкиназой, например) - несколько подгрупп: рецепторные тирозиновые киназы (receptor protein tyrosine kinases, RPTK) и небольшая группа рецепторных серин/треониновых киназ , а также Рецепторы-ферменты с некиназной активностью , такие как гуанилатциклазные (guanylyl cyclase, GCase). 4- цитокиновые Рецепторы (cytokine receptors, CR) (Рецепторы интерферонов α, β, γ, например). По способу действия они очень похожи на RРTK, но не имеют своей ферментативной активности и привлекают в качестве партнеров ферменты из цитозоля. Последними, в основном, являются протеинкиназы, которые связывают активированные цитокиновые Рецепторы и только после этого фосфорилируют специфические субстраты, таким способом передавая сигнал в цитоплазму. Следует отметить, что мембранная локализация всех этих рецепторов не означает их расположения исключительно на поверхности клетки. Они могут находиться также и на внутренних мембранах органелл, например, на эндосомах, митохондриях или эндоплазматическом ретикулуме.

По функциональной нагрузке: ионотропные и метаботропные . По сути, это разделение отражает тип клеточного ответа при активации этих рецепторов. Согласно названию, ионотропные Рецепторы регулируют ионные токи, т.е. управляют лиганд-зависимыми ионными каналами. Они быстро меняют мембранный потенциал и, таким образом, опосредуют наиболее быстрые реакции клеток на воздействия внешней среды (зрительные, вкусовые и обонятельные клетки). Напротив, метаботропные Рецепторы регулируют внутри клетки метаболические превращения (потоки энергии). Они используют адаптерные белки и ферменты для эстафетной передачи сигнала и изменения активности ферментов-мишеней.

6.Способы регуляции активности ферментов: изменение количества молекул белка или его посттрансляционные модификации. Типы посттрансляионных модификаций, используемых рецепторами для передачи сигнала. Примеры.
Гормоны активируют эффекторные системы рецепторов - изменение активности внутриклеточных ферментов. Под контролем гормонов 6 из 8 механизмов регуляции ферментов. 4 (ковалентная модификация, белок-белковые взаимодействия, аллостерическая регуляция и ограниченный протеолиз) - быстрые изменения удельной активности ферментов, 2 (изменение уровня экспрессии и изоформного состава белков) связаны с изменением количества ферментов в клетке и косвенно изменяют их общую активность в клетке.

Остально, не связ с горманами: изм-е концентраций участников р-ции, д-е метаболитов.
1) 1. Доступность субстрата или кофермента

При постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ. без прямого контроля со стороны гормонов. ускорить или затормозить

Для цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) субстратом - оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота). Наличие оксалоацетата "подталкивает" реакции цикла, что позволяет вовлекать в окисление ацетил-SКоА.

ΔG" = ΔG 0 " + RT ln [(C+D)/(A+B)],

где ΔG" – реальное изменение свободной энергии Гиббса при рН 7, ΔG 0 " – стандартное изменение свободной энергии Гиббса при рН 7 для данной реакции (при равновесных концентрациях реактантов 1 Моль/л и 25 о С), R – универсальная газовая постоянная, Т – температура по Кельвина, А,В,С,D – равновесные концентрации реактантов.

Гормоны опосредованно влияют на равновесные концентрации реактантов, действуя на необратимые реакции. Их скорость увеличивается, количество продукта тоже. Изменять активность ферментов, опосредующих равновесные реакции нет смысла, так как фермент не сдвигает равновесие реакции.

2) Во многих метаболических путях метаболиты дистанцированно влияют на активность ферментов. прямые или обратные связи внутри метаболической цепочки. Конечный метаболит - механизм обратной отрицательной связи . Начальный метаболит - прямой регуляции .

Эффекторами - конкурентные или аллостерические регуляторы.

3) Ковалентные модификации с присоединением низкомолекулярных радикалов к молекулам белка - на посттрансляционном уровне. наиболее распространенный механизм.

модификациям могут подвергаться аминокислотные остатки (остатки серина, треонина, тирозина, лизина, аргинина, пролина и дикарбоновых аминокислот). присоединяются метильные, ацетильные и гидроксильные группы, биотин, оксид азота, фосфаты, сульфаты и более крупные заместители углеводной, липидной, белковой или нуклеотидной природы (АДФ-рибозил). Гликозилирование - основной модификацией наружных белков гликокаликса, а пренилирование липидными остатками - для принудительной локализации белков на мембране.

Фосфорилирование используется для передачи сигнала внутрь клетки. фосфатная группа выступает меткой, фиксирующей сам факт передачи сигнала от одного компонента каскада (протеинкиназы) к другому (субстрату). Иногда таким сигналом служит дефосфорилирование (фосфатазы)

Фосфорилирование - изменения активности конечных участников сигнальных каскадов. Многие мишеней являются трансферазами (ковалентные модификации своих субстратов). Например, действие ряда гормонов направлено на изменения транскрипционной активности и белкового состава клетки. В нем задействованы ферменты, модифицирующие белки хроматина, транскрипционные факторы и фосфорилирующие их киназы. В результате активации киназы транскрипционных факторов и белков хроматина перемещаются из цитоплазмы в ядро, повышают доступность отдельных участков генома и активируют транскрипцию путем пост-трансляционной модификации многочисленных остатков белков-мишеней. Транскрипционные факторы (р53): фосфорилированию. ацетилированы или убиквитинированы и сумоилированы для более успешной компартментализации. Гистоны и другие белки хроматина: разнообразным модификациям - изменение плотности хроматина и повышение доступности участков ДНК для транскрипции. (фосфорилирование, метилирование и ацетилирование внутри короткой последовательности, отвечающей за функциональную активность этого белка).

4) Аллостерические ферменты - из 2 и более субъединиц : одни субъединицы содержат каталитический центр, другие имеют аллостерический центр и являются регуляторными. Присоединение эффектора к аллостерической субъединице - изменение конформацию белка и активность каталитической субъединицы.

Аллостерические ферменты (ключевыми ферментами) обычно стоят в начале метаболических путей, и от их активности зависит течение многих последующих реакций.

фруктозо-2,6-бисфосфат, 2,3-бисфосфоглицераль- продуктами гликолиза - аллостерические регуляторы

5) Ограниченный (частичный) протеолиз проферментов - более крупного предшественника и при поступлении в нужное место этот фермент активируется через отщепление от него пептидных фрагментов. защищает внутриклеточные структуры от повреждений. Пищеварительные ферменты (пепсин, трипсин, химотрипсин) производятся железистых клеток в неактивной форме проферментов. активируются путем ограниченного протеолиза уже в просвете желудка (пепсин) или кишечника (остальные).

6) белок-белковое взаимодействие – в качестве регулятора выступают не метаболиты биохимических процессов, а специфичные белки. В целом ситуация схожа с аллостерическим механизмом: после влияния каких-либо факторов на специфичные белки изменяется активность этих белков, и они, в свою очередь, воздействуют на нужный фермент.

Мембранный фермент аденилатциклаза чувствительным к воздействию G-белка , который активируется при действии на клетку некоторых гормонов (адреналина и глюкагона).

7,8) Изменение уровня экспрессии или изоформного состава ферментов - долговременными регуляторными стратегиями (транскрипционные факторы, изменяются скорость и эффективность транскрипции генов). - стероидные и тиреоидные гормоны. В комплексе с внутриклеточными рецепторами они перемещаются в ядро, где активируют или ингибируют транскрипцию в определенных участках генома.

Изменение скорости деградации белков регулируется убиквитинированием. 5-стадийный процесс с участием трех ферментов: убиквитин-активирующего, убиквитин-конъюгирующего и убиквитин-сшивающего (лигазы). регуляции этого процесса – это рецептор-зависимая активация убиквитин-лигаз. Примером такой лигазы является белок Cbl – партнер рецепторов факторов роста и цитокинов. Рецептор-зависимая активация Cbl происходит при связывании его N-концевого фосфотирозин-связывающего домена с активированным рецептором. После этого Cbl взаимодействует с акцессорными белками и запускает убиквитинирование белков-мишеней.

Индуцибельная NO-синтаза (iNOS) - быстрой смены изоформного состава белка при активации защитных реакций клетки. Две изоформы NO-синтазы – нейрональная (nNOS) и эндотелиальная (eNOS) – экспрессируются конститутивно. Экспрессия iNOS запускается при активации рецепторов провоспалительных цитокинов (интерферон, интерлейкин-1, TNFα). в условиях окислительного стресса и бактериальной инфекции изменяется суммарная активность NO-синтаз и уровень продукции вторичного посредника NO.

7. Факторы роста как основные регуляторы деления клеток. Кратко механизм их действия.

Рост и развитие клетки в нормальных и опухолевых линиях начинаются с воздействия на клетку ФР - полипептиды, которые либо секретируются клеткой, либо выделяются, когда клетка гибнет. могут циркулировать в крови, но чаще местного действия. При связывании с рецептором - повышение сродства - олигомеризация рецепторов. 1 рецептора фосфорилирует другую молекулу рецептора по тирозиновым остаткам. Белки, участвующие в передаче сигналов от рецептора, имеют домены, узнающие фосфотирозин (SH2 домены, «домен второго порядка Src киназы»). SH2-домен-содержащие белки распознают еще 10-15 аминокислот слева и справа от фосфотирозина, поэтому их связывание весьма специфично. Связавшись с рецептором, белки изменяют свою активность, могут активировать друг друга, связывать новые белки - образуются сложные олигомерные комплексы белков. ФР передают сигнал внутрь ядра с помощью МАР-киназ (митогенактивируемых протеинкиназ), которые стимулируют транскрипционные факторы - деление клеток. Регуляция происходит за счет тирозинового фосфорилирования без вторичных посредников. Заканчивается сигнал серин/треониновым фосфорилированием белков ядра.

SH3-домены узнают в белке 1 три остатка пролина, локализованные рядом. белок 2 одним доменом свяжется с рецептором ФР, а другим – с белком с 3 остатка пролина. Формирование сложного олигомерного комплекса, в составе которого проходит фосфорилирование–дефосфорилирование белков, обмен гуаниловых нуклеотидов, расщепление фосфолипидов, присоединение белков цитоскелета и т.п.

Действие ФР на клетку. ФР связываются с рецепторами либо на поверхности мембраны, либо внутри клетки. А - ФР вызывают фосфорилирование белков либо непосредственно при взаимодействии с рецептором, являющимся тир-ПК-азой (ИФР-1, ИФР-2, инсулин), либо за счёт включения аденилатциклазного или фосфатидилинозитольного каскадов и активации протеинкиназ. Фосфорилированные белки активируют транскрипционные факторы, вызывающие синтез новых мРНК и белков. Б - ФР входит в клетку, в комплексе с внутриклеточным рецептором поступает в ядро, активируя транскрипцию генов, стимулирующих рост клетки. 1 - G-белок; 2 - ферменты, синтезирующие вторичные посредники: аденилатциклаза, фосфолипаза С, гуанилатциклаза.

8.Каким образом связано сродство рецептора к гормону с временем развития и гашения этого сигнала? Регуляция чувствительности клеток к гормону путем изменения количества рецепторов и их сопряжения с эффекторными системами.
Max биологический эффект может развиваться даже если гормон оккупировал лишь малую долю рецепторов. (после преинкубации гладких мышц, сердца с кураре или атропином образуется прочный комплекс c антагонистом, однако эффект ацетилхолина развивается уже спустя несколько секунд после отмывания рецептора от блокатора). В клетке существует "избыток" рецепторов, благодаря чему гормон может вызывать максимальный ответ даже тогда, когда он оккупирует лишь небольшую долю рецепторов.

Концентрация катехоламинов в крови - 10-9 – 10-8 М. Сродство рецепторов к этим гормонам ниже (Кд=10-7 – 10-6 М). Полумаксимальная активация аденилатциклазы - высоких концентраций (10-7 – 10-6 М), а влияние на гликогенолиз или липолиз (эффекты, опосредуемые синтезом цАМФ) - низких концентраций (10-9 – 10-8 М).

Для проявления эффекта катехоламинам достаточно связывание менее, чем с 1% β-адренергических рецепторов. Существует 100-кратный "избыток" рецепторов гистамина, 10-кратный "избыток" рецепторов глюкагона, ангиотензина, АКТГ. Это объясняется высокой степенью усиления (105 – 108 раз) сигнала. при связывании 1 молекулы гормона в клетке может появиться (или исчезнуть) 105 – 108 молекул определенных веществ или ионов. Существование "избытка" рецепторов обеспечивает высокую чувствительность к внеклеточным регуляторам.

"оккупационная" теория: биологический эффект гормона пропорционален концентрации гормон-рецепторного комплекса: H+R ↔ HR → биологический эффект.

При достижении равновесия: Кс = / ([H][R]) или HR= Кс ([H][R]), эффект = f {Кс ([H][R])}

Эффект зависит от: сродства гормона к рецептору, концентрации рецепторов.

Уменьшение сродства рецептора к гормону, уменьшении концентраций рецепторов - более высокие концентрации гормона.

Скорость реакции определяется временем связанного состояния гормона с рецептором. У нейромедиаторов низкое сродство: около 10-3, они быстро диссоциируют от рецептора, поэтому для осуществления сигнала необходимо создавать высокие локальные концентрации, что и происходит в синапсах. У внутриклеточных рецепторов сродство к лиганду выше – около 10-9, связанное состояние продолжается часы и сутки. Сродство гормона к рецептору определяет длительность проведения сигнала.

Изменение сродства рецепторов к гормонам: десенситизации, даунрегуляцией. при избыточной гормональной стимуляции рецепторы эндоцитируют и подвергаются деградации. Образование рецепторных кластеров в мембране: Концентрирование, снижение плотности рецептора влияет на кинетические параметры связывания лиганда. (неоднородного распределения липидов в мембране, микротрубочек и микрофиламентов держат мембранные белки в определенных участках мембраны). Синапс!!

Концентрирование рецепторов, не закрепленное специальной морфологической структурой, - в лимфоцитах и асимметричных клетках слизистой. рецепторы за несколько минут собираются в кластеры в самых разных участках мембраны, распадаться - быстрый и обратимый контроль за чувствительностью клетки к регулятору.

Необратимой инактивацией рецепторных молекул: При продолжительном действии высоких концентраций регулятора - образование рецепторных "шапок", в которых рецепторов соединены между собой за счет образования пептидных связей (при участии трансглютаминазы) между свободными карбоксильными группами одного белка и свободными аминогруппами другого. После завершения сшивок - впячивание мембраны, отшнуровывание, появление в цитоплазме, сливаются с лизосомами, расщепляются протеазами. количество рецепторов может снижаться в 3-5 раз. восстановление чувствительности потребует значительного времени –синтез и встраивание.

При некоторых патологических состояниях - образовываться аутоантитела, которые, связываясь с рецепторами, изменяют их сродство к гормонам.

Сродство зависит от их взаимодействия с внутриклеточными белками-мишенями (G-белки). Хорошо известна роль G-белка при гормон-зависимой активации аденилатциклазы. G-белок не только проводит сигнал, но и влияет связывания гормона с рецептором.

Регуляции чувствительности рецепторов к гормонам: встречи рецепторов и их мишеней на мембране могут быть эффективными только если с белками связаны соответствующие кофакторы: в случае рецептора это гормон, а сопрягающего G-белка – ГТФ или ГДФ. Только в таком случае образуется функционально активный комплекс рецептора с белком, а затем белка с мишенью (аденилатциклазой). 2- связывание кофактора влияет на сродство компонентов друг к другу: Связывание лиганда повышает сродство рецептора к активным G-белком. образование рецептор-G-белкового комплекса приводит к значительному повышению сродства рецептора к гормону. После присоединения к G-белку ГТФ сродство рецептора к гормону становится низким.

9.Опишите основные этапы процессов десенситизации и даун-регуляции рецепторов.

1. Присоединение Г+Р

2. Фосфорилирование (убиквитинилирование/пальмитинирование рецептора

3. Десенситизация (бета-аррестин)

4. Эндоцитоз (клатрин-зависимый)

5. Рециклизация (выход рецептора на поверхность клетки) или слияние с лизосомой и расщепление рецептора.

Десенситизация и даун-регуляция необходимо для терминации избыточного сигнала и предотвращения чрезмерного клеточного ответа.

1) самый быстрый способ «выключения» рецептора - десенситизация обусловленная химической модификацией (фосфорилирование или реже алкилирование, пренилирование, убиквитинирование, метилирование, рибозилирование) цитоплазматического домена, приводящей к снижению сродства Р к Л.

Для гормональной регуляции, в которой участвуют Рецепторы, сопряженные с G белками, характерно быстрое развитие толерантности. Рецептор связывается с гормоном за минуты. Длится сигнал в течение минут. Чем дольше гормон находится на рецепторе, тем больше вероятность у рецептора быть фосфорилированным (более 10 минут) эндогенной протеинкиназой («лиганд-зависимая киназа»). диссоциации Г с рецептора - дефосфорилирование и Рецептор восстановит нормальную аффинность. Если же гормональный сигнал поступает в клетку в течение десятков минут, тогда включается десенситизация, в которой участвует GRK(g-prot. Receptor kinase), она дополнительно фосфорилирует рецептор, стимулируемая вторичным посредником. Если гормона много, сигнал остается и при фосфорилиловании рецептора.

Бета-аррестин- каркасный белок, он ослабляет/прекращает основной сигнальный каскад, но при этом активируется MAPKиназный или другой. На бета-аррестине также есть сайт связывания убиквитин-лигазы, которая навешивает убиквитин на рецептор. Убиквитин может способствовать разрушению белка в протеосомах или, наоборот, не дает ему идти в протеосомы (разные варианты прикрепления убиквитина). При десенситизации бета-аррестин привлекает клатрин который рекрутируется в область скопления рецепторов и покрывает внутреннюю поверхность участка мембраны, далее происходит эндоцитоз (даун-регуляция). Эти участки втягиваются, образуя окаймленные клатрином ямки. Увеличиваясь и отрываясь внутрь клетки под действием моторного белка динамина, они образуют клатрин-покрытые везикулы. Время жизни этих везикул очень мало: как только они отрываются от мембраны, клатриновая оболочка диссоциирует и распадается. (есть еще кавеолин-зависимый эндоцитоз, он происходит аналогично клатрин-зависимому, Если мембранные плоты большие и жесткие, к ним присоединяется актиновый цитоскелет, который принудительно втягивает в клетку большие фрагменты мембраны клатрин/кавеолин-независимым образом за счет работы миозиновых моторов.)

Вместе с рецепторами могут эндоцитироваться и их лиганды. В дальнейшем возможна рециклизация рецепторов (возвращение), для которой необходимы диссоциация лигандов от рецепторов и устранение химических модификаций. Необратимая деградация рецепторов при слиянии эндосом с лизосомами.

Существуют сигнальные эндосомы (сигналосом), которые способны запускать собственные сигнальные каскада, ко торые базируются на эндосомальных белках и (фосфо)липидах, в них выявляются все основные типы мембранных рецепторов за исключением канальных рецепторов.