Системите от вторични носители на хормонално действие са:

1. Аденилат циклаза и цикличен AMP,

2. Гуанилат циклаза и цикличен GMP,

3. Фосфолипаза С:

Диацилглицерол (DAG),

Инозитол трифосфат (IF3),

4. Йонизиран Ca – калмодулин

Хетеротромен протеин G протеин.

Този протеин образува бримки в мембраната и има 7 сегмента. Сравняват ги със змиевидни ленти. Има изпъкнали (външни) и вътрешни части. Хормонът е прикрепен към външната част, а на вътрешната повърхност има 3 субединици - алфа, бета и гама. В неактивно състояние този протеин има гуанозин дифосфат. Но при активиране гуанозин дифосфатът се променя в гуанозин трифосфат. Промяната в активността на G протеина води или до промяна в йонната пропускливост на мембраната, или до активиране на ензимната система в клетката (аденилатциклаза, гуанилатциклаза, фосфолипаза С). Това предизвиква образуването на специфични протеини, активира се протеин киназата (необходима за процесите на фосфорилиране).

G протеините могат да бъдат активиращи (Gs) и инхибиторни, или с други думи инхибиторни (Gi).

Разрушаването на цикличния AMP става под действието на ензима фосфодиестераза. Цикличният GMF има обратен ефект. Когато фосфолипаза С се активира, се образуват вещества, които насърчават натрупването на йонизиран калций в клетката. Калцият активира протеин циназите и насърчава мускулната контракция. Диацилглицеролът насърчава превръщането на мембранните фосфолипиди в арахидонова киселина, която е източникът на образуването на простагландини и левкотриени.

Комплексът от хормонални рецептори прониква в ядрото и действа върху ДНК, което променя процесите на транскрипция и произвежда иРНК, която напуска ядрото и отива към рибозомите.

Следователно хормоните могат да имат:

1. Кинетично или стартово действие,

2. Метаболитно действие,

3. Морфогенетичен ефект (тъканна диференциация, растеж, метаморфоза),

4. Коригиращо действие (коригиращо, адаптиращо).

Механизми на действие на хормоните в клетките:

Промени в пропускливостта на клетъчната мембрана,

Активиране или инхибиране на ензимни системи,

Въздействие върху генетичната информация.

Регулирането се основава на тясното взаимодействие на ендокринната и нервната система. Процесите на възбуждане в нервната система могат да активират или инхибират дейността на жлезите с вътрешна секреция. (Помислете например за процеса на овулация при заек. Овулацията при заек настъпва само след чифтосване, което стимулира освобождаването на гонадотропен хормон от хипофизната жлеза. Последният причинява процеса на овулация).

След претърпяна психическа травма може да възникне тиреотоксикоза. Нервната система контролира освобождаването на хипофизните хормони (неврохормони), а хипофизната жлеза влияе върху дейността на други жлези.

Има механизми за обратна връзка. Натрупването на хормон в тялото води до инхибиране на производството на този хормон от съответната жлеза, а дефицитът ще бъде механизъм за стимулиране на образуването на хормона.

Има механизъм на саморегулация. (Например, нивото на глюкозата в кръвта определя производството на инсулин и (или) глюкагон; ако нивото на захарта се повиши, се произвежда инсулин, а ако намалее, се произвежда глюкагон. Дефицитът на Na стимулира производството на алдостерон).

5. Хипоталамо-хипофизна система. Функционалната му организация. Невросекреторни клетки на хипоталамуса. Характеристики на тропните хормони и рилизинг хормоните (либерини, статини). Епифиза (епифиза).

6. Аденохипофиза, връзката й с хипоталамуса. Естеството на действието на хормоните на предната хипофизна жлеза. Хипо- и хиперсекреция на аденохипофизните хормони. Свързани с възрастта промени в образуването на хормони в предния лоб.

Клетките на аденохипофизата (вижте тяхната структура и състав в курса по хистология) произвеждат следните хормони: соматотропин (хормон на растежа), пролактин, тиреотропин (стимулиращ хормон на щитовидната жлеза), фоликулостимулиращ хормон, лутеинизиращ хормон, кортикотропин (ACTH), меланотропин, бета-ендорфин, диабетогенен пептид, екзофталмичен фактор и хормон на растежа на яйчниците. Нека разгледаме по-отблизо ефектите на някои от тях.

Кортикотропин . (адренокортикотропен хормон - ACTH) се секретира от аденохипофизата в непрекъснати пулсиращи изблици, които имат ясен дневен ритъм. Секрецията на кортикотропин се регулира чрез директни и обратни връзки. Директната връзка е представена от хипоталамичния пептид - кортиколиберин, който усилва синтеза и секрецията на кортикотропин. Обратната връзка се задейства от съдържанието на кортизол в кръвта (хормон на надбъбречната кора) и се затваря както на нивото на хипоталамуса, така и на аденохипофизата, а повишаването на концентрацията на кортизол инхибира секрецията на кортикотропин и кортикотропин.

Кортикотропинът има два вида действие - надбъбречно и екстранадбъбречно. Надбъбречното действие е основното и се състои в стимулиране на секрецията на глюкокортикоиди и в много по-малка степен на минералкортикоиди и андрогени. Хормонът засилва синтеза на хормони в надбъбречната кора - стероидогенеза и протеинов синтез, което води до хипертрофия и хиперплазия на надбъбречната кора. Екстранадбъбречният ефект се изразява в липолиза на мастната тъкан, повишена секреция на инсулин, хипогликемия, повишено отлагане на меланин с хиперпигментация.

Излишъкът от кортикотропин е придружен от развитие на хиперкортицизъм с преобладаващо повишена секреция на кортизол и се нарича "болест на Иценко-Кушинг". Основните прояви са типични за излишъка от глюкокортикоиди: затлъстяване и други метаболитни промени, намаляване на ефективността на имунните механизми, развитие на артериална хипертония и възможност за диабет. Дефицитът на кортикотропин причинява недостатъчност на глюкокортикоидната функция на надбъбречните жлези с изразени метаболитни промени, както и намаляване на устойчивостта на организма към неблагоприятни условия на околната среда.

Соматотропин. . Хормонът на растежа има широк спектър от метаболитни ефекти, които осигуряват морфогенетични ефекти. Хормонът влияе върху протеиновия метаболизъм, засилвайки анаболните процеси. Стимулира доставянето на аминокиселини в клетките, протеиновия синтез чрез ускоряване на транслацията и активиране на РНК синтеза, увеличава клетъчното делене и растежа на тъканите и инхибира протеолитичните ензими. Стимулира включването на сулфат в хрущяла, тимидин в ДНК, пролин в колаген, уридин в РНК. Хормонът предизвиква положителен азотен баланс. Стимулира растежа на епифизния хрущял и замяната му с костна тъкан чрез активиране на алкалната фосфатаза.

Ефектът върху въглехидратния метаболизъм е двоен. От една страна, соматотропинът повишава производството на инсулин както поради директния ефект върху бета клетките, така и поради хормонално индуцираната хипергликемия, причинена от разграждането на гликогена в черния дроб и мускулите. Соматотропинът активира чернодробната инсулиназа, ензим, който разрушава инсулина. От друга страна, соматотропинът има контринсуларен ефект, като инхибира усвояването на глюкозата в тъканите. Тази комбинация от ефекти, при наличие на предразположеност към условия на прекомерна секреция, може да предизвика захарен диабет, наречен хипофизарен произход.

Ефектът върху метаболизма на мазнините е да стимулира липолизата на мастната тъкан и липолитичния ефект на катехоламините, повишавайки нивото на свободните мастни киселини в кръвта; поради прекомерния им прием в черния дроб и окисляването се увеличава образуването на кетонови тела. Тези ефекти на соматотропина също се класифицират като диабетогенни.

Ако се появи излишък на хормона в ранна възраст, се формира гигантизъм с пропорционално развитие на крайниците и багажника. Излишъкът на хормона в юношеска и зряла възраст причинява повишен растеж на епифизните области на костите на скелета, области с непълна осификация, което се нарича акромегалия. . Увеличават се и вътрешните органи - спланхомегалия.

При вроден дефицит на хормона се образува нанизъм, наречен "хипофизен нанизъм". След публикуването на романа на Дж. Суифт за Гъливер такива хора се наричат ​​разговорно лилипути. В други случаи придобитият хормонален дефицит причинява леко забавяне на растежа.

Пролактин . Секрецията на пролактин се регулира от хипоталамичните пептиди - инхибитора пролактиностатин и стимулатора пролактолиберин. Производството на хипоталамични невропептиди е под допаминергичен контрол. Нивото на естроген и глюкокортикоиди в кръвта влияе върху количеството секреция на пролактин

и хормони на щитовидната жлеза.

Пролактинът специално стимулира развитието на млечната жлеза и лактацията, но не и нейната секреция, която се стимулира от окситоцина.

В допълнение към млечните жлези, пролактинът засяга половите жлези, като спомага за поддържането на секреторната активност на жълтото тяло и образуването на прогестерон. Пролактинът е регулатор на водно-солевия метаболизъм, намалява отделянето на вода и електролити, потенцира ефектите на вазопресин и алдостерон, стимулира растежа на вътрешните органи, еритропоезата и насърчава проявата на майчиния инстинкт. В допълнение към подобряването на протеиновия синтез, той увеличава образуването на мазнини от въглехидрати, което допринася за следродилното затлъстяване.

Меланотропин . . Образува се в клетките на междинния дял на хипофизната жлеза. Производството на меланотропин се регулира от хипоталамичния меланолиберин. Основният ефект на хормона е върху меланоцитите на кожата, където предизвиква потискане на пигмента в процесите, увеличаване на свободния пигмент в епидермиса, заобикалящ меланоцитите, и увеличаване на синтеза на меланин. Увеличава пигментацията на кожата и косата.

Неврохипофизата, връзката й с хипоталамуса. Ефекти на хормоните на задната хипофиза (оксигоцин, ADH). Ролята на ADH в регулирането на обема на течностите в тялото. Безвкусен диабет.

Вазопресин . . Образува се в клетките на супраоптичните и паравентрикуларните ядра на хипоталамуса и се натрупва в неврохипофизата. Основните стимули, които регулират синтеза на вазопресин в хипоталамуса и секрецията му в кръвта от хипофизната жлеза, могат да се нарекат най-общо осмотични. Те се изразяват в: а) повишаване на осмотичното налягане на кръвната плазма и стимулиране на съдовите осморецептори и осморецепторните неврони на хипоталамуса; б) повишаване на съдържанието на натрий в кръвта и стимулиране на невроните на хипоталамуса, които действат като натриеви рецептори; в) намаляване на централния обем на циркулиращата кръв и кръвното налягане, възприемано от обемните рецептори на сърцето и механорецепторите на кръвоносните съдове;

г) емоционално-болезнен стрес и физическа активност; д) активиране на системата ренин-ангиотензин и ефекта на ангиотензин стимулиране на невросекреторните неврони.

Ефектите на вазопресина се реализират благодарение на свързването на хормона в тъканите с два вида рецептори. Свързването с Y1-тип рецептори, предимно локализирани в стената на кръвоносните съдове, чрез вторите посредници инозитол трифосфат и калций причинява съдов спазъм, което допринася за името на хормона - "вазопресин". Свързването с Y2-тип рецептори в дисталните части на нефрона чрез вторичния месинджър c-AMP осигурява повишаване на пропускливостта на събирателните канали на нефрона за вода, нейната реабсорбция и концентрация в урината, което съответства на второто име на вазопресин - “ антидиуретичен хормон, ADH”.

В допълнение към ефекта си върху бъбреците и кръвоносните съдове, вазопресинът е един от важните мозъчни невропептиди, участващи във формирането на жаждата и поведението при пиене, механизмите на паметта и регулирането на секрецията на аденохипофизните хормони.

Липсата или дори пълното отсъствие на секреция на вазопресин се проявява под формата на рязко увеличаване на диурезата с освобождаване на големи количества хипотонична урина. Този синдром се нарича " безвкусен диабет", то може да бъде вродено или придобито. Синдромът на излишък на вазопресин (синдром на Пархон) се проявява

при прекомерно задържане на течности в тялото.

Окситоцин . Синтезът на окситоцин в паравентрикуларните ядра на хипоталамуса и освобождаването му в кръвта от неврохипофизата се стимулира по рефлекторен път при дразнене на рецепторите за разтягане на шийката на матката и рецепторите на млечните жлези. Естрогените повишават секрецията на окситоцин.

Окситоцинът предизвиква следните ефекти: а) стимулира свиването на гладката мускулатура на матката, насърчавайки раждането; б) предизвиква свиване на гладкомускулните клетки на отделителните канали на лактиращата млечна жлеза, осигурявайки отделянето на мляко; в) има диуретично и натриуретично действие при определени условия; г) участва в организирането на питейно-хранителното поведение; д) е допълнителен фактор в регулирането на секрецията на аденохипофизните хормони.

Общи идеи за пътищата на сигнална трансдукция

За повечето регулаторни молекули, между свързването им с мембранен рецептор и крайния отговор на клетката, т.е. чрез промяна на работата му се намесват сложни серии от събития - определени пътища за предаване на сигнал, наречени иначе чрез сигнални трансдукционни пътища.

Регулаторните вещества обикновено се разделят на ендокринни, неврокринни и паракринни. Ендокриннарегулатори (хормони)секретирани от ендокринните клетки в кръвта и транспортирани от нея до целевите клетки, които могат да бъдат разположени навсякъде в тялото. Неврокринрегулаторите се освобождават от неврони в непосредствена близост до целевите клетки. Паракриненвеществата се освобождават малко по-далеч от мишените, но все пак достатъчно близо до тях, за да достигнат до рецепторите. Паракринните вещества се секретират от един тип клетки и действат върху друг, но в някои случаи регулаторите са предназначени за клетките, които ги секретират, или за съседни клетки от същия тип. Нарича се автокриненрегулиране.

В някои случаи последният етап на сигнална трансдукция се състои от фосфорилиране на определени ефекторни протеини, което води до повишаване или намаляване на тяхната активност, а това от своя страна определя клетъчния отговор, необходим на тялото. Извършва се фосфорилиране на протеини протеин киназии дефосфорилиране - протеинови фосфатази.

Промените в активността на протеин киназата възникват в резултат на свързването на регулаторна молекула (общо наречена лиганд)с неговия мембранен рецептор, който задейства каскади от събития, някои от които са показани на фигурата (фиг. 2-1). Активността на различни протеин кинази се регулира от рецептора не директно, а чрез вторични пратеници(вторични посредници), чиято роля играят напр. цикличен AMP (cAMP), цикличен GMP (cGMP), Ca 2+, инозитол-1,4,5-трифосфат (IP 3)И диацилглицерол (DAG).В този случай свързването на лиганда към мембранния рецептор променя вътреклетъчното ниво на втория месинджър, което от своя страна влияе върху активността на протеин киназата. Много регулатори

Тези молекули влияят върху клетъчните процеси чрез пътища на сигнална трансдукция, включващи хетеротримерни GTP-свързващи протеини (хетеротримерни G протеини)или мономерни GTP-свързващи протеини (мономерни G протеини).

Когато молекулите на лиганда се свързват с мембранни рецептори, които взаимодействат с хетеротримерни G протеини, G протеинът преминава в активно състояние чрез свързване с GTP. След това активираният G протеин може да взаимодейства с много ефекторни протеинипредимно от ензими като аденилат циклаза, фосфодиестераза, фосфолипаза С, А 2И Д.Това взаимодействие задейства вериги от реакции (фиг. 2-1), които завършват с активиране на различни протеин кинази, като напр. протеин киназа A (PKA), протеин киназа G (PKG), протеин киназа C (PKI).

Най-общо казано, пътят на сигнална трансдукция, включващ G-протеини - протеин кинази, включва следните стъпки.

1. Лигандът се свързва с рецептор на клетъчната мембрана.

2. Лиганд-свързаният рецептор, взаимодействайки с G-протеина, го активира, а активираният G-протеин свързва GTP.

3. Активираният G-протеин взаимодейства с едно или повече от следните съединения: аденилат циклаза, фосфодиестераза, фосфолипази C, A 2, D, като ги активира или инхибира.

4. Вътреклетъчното ниво на един или повече вторични посредници, като cAMP, cGMP, Ca 2+, IP 3 или DAG, се повишава или намалява.

5. Увеличаването или намаляването на концентрацията на втория месинджър засяга активността на една или повече протеин кинази, зависими от него, като cAMP-зависима протеин киназа (протеин киназа А), cGMP-зависима протеин киназа (PKG), калмодулин-зависима протеин киназа(CMPC), протеин киназа С. Промяната в концентрацията на втория посредник може да активира един или друг йонен канал.

6. Нивото на фосфорилиране на ензима или йонния канал се променя, което влияе върху активността на йонния канал, определяйки крайния отговор на клетката.

Ориз. 2-1. Някои каскади от събития, реализирани в клетката поради вторични посланици.

Обозначения: * - активиран ензим

G протеин-свързани мембранни рецептори

Мембранните рецептори, които медиират зависимо от агониста активиране на G протеини, съставляват специално семейство от протеини, с повече от 500 члена. Той включва α- и β-адренергични, мускаринови ацетилхолин, серотонин, аденозин, обонятелни рецептори, родопсин, както и рецептори за повечето пептидни хормони. Членовете на семейството на свързаните с G протеин рецептори имат седем трансмембранни α-спирали (Фигура 2-2 A), всяка от които съдържа 22-28 предимно хидрофобни аминокиселинни остатъци.

За някои лиганди, като ацетилхолин, епинефрин, норепинефрин и серотонин, са известни различни подтипове на G-протеин свързани рецептори. Те често се различават по своя афинитет към конкурентни агонисти и антагонисти.

По-долу е представена (фиг. 2-2 B) молекулярната организация на аденилат циклазата, ензим, който произвежда сАМР (първият отворен втори месинджър). Аденилатциклазният регулаторен път се счита за класическия G протеин-медииран път на сигнална трансдукция.

Аденилат циклазата служи като основа за положителен или отрицателен контрол на пътищата на сигнална трансдукция през G протеини. В положителна контрола, свързването на стимулиращ лиганд, като епинефрин, действащ чрез β-адренергични рецептори, води до активиране на хетеротримерни G протеини с α субединицата от типа as („s“ означава стимулация). Активирането на Gs-тип G протеини от лиганд-свързания рецептор кара неговата as-субединица да свързва GTP и след това да се дисоциира от βγ-димера.

Фигура 2-2 B показва как фосфолипаза С разгражда фосфатидилинозитол 4,5-бисфосфат до инозитол 1,4,5-трифосфат и диацилглицерол. И двете вещества, инозитол 1,4,5-трифосфат и диацилглицерол, са вторични посредници. IP3, чрез свързване към специфични лиганд-зависими Ca 2+ канали на ендоплазмения ретикулум, освобождава Ca 2+ от него, т.е. повишава концентрацията на Ca 2+ в цитозола. Диацилглицеролът, заедно с Ca 2+, активира друг важен клас протеин кинази - протеин киназа С.

След това е показана структурата на някои вторични пратеници (фиг. 2-2 D-E): cAMP, GMP,

cGMP.

Ориз. 2-2. Примери за молекулярната организация на някои структури, участващи в пътищата на сигнална трансдукция.

А е рецептор на клетъчна мембрана, който свързва лиганд на външната повърхност и хетеротримерен G-протеин вътре. B - молекулярна организация на аденилат циклазата. B - структура на фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат и инозитол-1,4,5-трифосфат и диацилглицерол, образувани под действието на фосфолипаза С. D - структура на 3",5"-цикличен АМР (активатор на протеин киназа А). D - структура на HMF. E - структура на 3,5"-цикличен GMP (протеин киназа G активатор)

Хетеротримерни G протеини

Хетеротримерният G протеин се състои от три субединици: α (40 000–45 000 Da), β (около 37 000 Da) и γ (8000–10 000 Da). Сега са известни около 20 различни гена, кодиращи тези субединици, включително най-малко четири гена на β-субединица и приблизително седем гена на γ-субединица на бозайници. Функцията и специфичността на G протеин обикновено, макар и не винаги, се определя от неговата α субединица. В повечето G протеини β и γ субединиците са тясно свързани една с друга. Някои хетеротримерни G протеини и пътищата на трансдукция, в които те участват, са изброени в таблица. 2-1.

Хетеротримерните G протеини служат като посредници между рецепторите на плазмената мембрана за повече от 100 извънклетъчни регулаторни вещества и вътреклетъчните процеси, които контролират. Най-общо казано, свързването на регулаторно вещество към неговия рецептор активира G протеина, който или активира, или инхибира ензима и/или задейства верига от събития, водещи до активиране на специфични йонни канали.

На фиг. 2-3 показва общия принцип на действие на хетеротримерни G-протеини. В повечето G протеини, α субединицата е "работникът" на хетеротримерните G протеини. Активирането на повечето G протеини води до конформационна промяна в тази субединица. Неактивните G протеини съществуват главно под формата на αβγ хетеротримери,

с GDP в нуклеотид-свързващи позиции. Взаимодействието на хетеротримерни G-протеини с рецептора, свързан с лиганда, води до превръщане на α-субединица в активна форма с повишен афинитет към GTP и намален афинитет към βγ-комплекса. В резултат на това активираната α-субединица освобождава GDP, свързва GTP и след това се дисоциира от βγ-димера. За повечето G протеини, дисоциираната α субединица след това взаимодейства с ефекторни протеини в пътя на сигналната трансдукция. Въпреки това, за някои G протеини, освободеният βγ-димер може да е отговорен за всички или някои от ефектите на комплекса рецептор-лиганд.

Работата на някои йонни канали се модулира директно от G протеини, т.е. без участието на вторични пратеници. Например, свързването на ацетилхолин с мускариновите М2 рецептори в сърцето и някои неврони води до активиране на специален клас K+ канали. В този случай свързването на ацетилхолин с мускариновия рецептор води до активиране на G протеина. Неговата активирана α-субединица след това се дисоциира от βγ-димера и βγ-димерът директно взаимодейства със специален клас K+ канали, привеждайки ги в отворено състояние. Свързването на ацетилхолин с мускариновите рецептори, което повишава K+ проводимостта на пейсмейкърните клетки в синоатриалния възел на сърцето, е един от основните механизми, чрез които парасимпатиковите нерви причиняват намаляване на сърдечната честота.

Ориз. 2-3. Принципът на действие на хетеротримерни GTP-свързващи протеини (хетеротримерни G-протеини).

Таблица 2-1.Някои хетеротримерни GTP-свързващи протеини на бозайници, класифицирани въз основа на техните α-субединици*

* Във всеки клас α-субединици се разграничават няколко изоформи. Идентифицирани са повече от 20 α-субединици.

Мономерни G протеини

Клетките съдържат друго семейство GTP-свързващи протеини, наречени мономерен GTP-свързващи протеини. Известни са още като G протеини с ниско молекулно теглоили малки G протеини(молекулно тегло 20 000-35 000 Da). Таблица 2-2 изброява основните подкласове на мономерни GTP-свързващи протеини и някои от техните свойства. Ras-подобни и Rho-подобни мономерни GTP-свързващи протеини участват в пътя на сигналната трансдукция на етапа на предаване на сигнала от тирозин киназата, рецептора на растежния фактор, към вътреклетъчните ефектори. Сред процесите, регулирани от пътищата на сигнална трансдукция, в които участват мономерни GTP-свързващи протеини, са удължаването на полипептидната верига по време на протеиновия синтез, пролиферацията и диференциацията на клетките, тяхната злокачествена дегенерация, контрол на актиновия цитоскелет, комуникация между цитоскелета

и извънклетъчен матрикс, транспорт на везикули между различни органели и екзоцитозна секреция.

Мономерните GTP-свързващи протеини, подобно на техните хетеротримерни двойници, са молекулни превключватели, които съществуват в две форми - активирани "включени" и инактивирани "изключени" (фиг. 2-4 B). Въпреки това, активирането и инактивирането на мономерни GTP-свързващи протеини изисква допълнителни регулаторни протеини, които, доколкото е известно, не са необходими за функцията на хетеротримерните G протеини. Мономерните G протеини се активират протеини, освобождаващи гуанин нуклеотид,и са дезактивирани GTPase-активиращи протеини.По този начин, активирането и инактивирането на мономерни GTP-свързващи протеини се контролира от сигнали, които променят активността протеини, освобождаващи гуанин нуклеотидили GTPase-активиращи протеиниа не чрез директно засягане на мономерните G протеини.

Ориз. 2-4. Принципът на действие на мономерните GTP-свързващи протеини (мономерни G-протеини).

Таблица 2-2.Подсемейства мономерни GTP-свързващи протеини и някои вътреклетъчни процеси, регулирани от тях

Механизъм на действие на хетеротримерни G-протеини

Неактивните G протеини съществуват предимно под формата на αβγ хетеротримери, с GDP в техните нуклеотидно-свързващи позиции (Фигура 2-5 A). Взаимодействието на хетеротримерни G-протеини с рецептора, свързан с лиганда, води до трансформация на α-субединица в активна форма, която има повишен афинитет към GTP и намален афинитет към βγ-комплекса (фиг. 2-5 B ). В повечето хетеротримерни G протеини α субединицата е структурата, която предава информация. Активирането на повечето G протеини води до конформационна промяна в α субединицата.

В резултат на това активираната α-субединица освобождава GDP, прикрепя GTP (фиг. 2-5 B) и след това се дисоциира от βγ-димера (фиг. 2-5 D). В повечето G протеини, дисоциираната α-субединица незабавно взаимодейства с ефекторните протеини (E 1) в пътя на сигналната трансдукция (фиг. 2-5 D). Въпреки това, за някои G протеини, освободеният βγ-димер може да е отговорен за всички или някои от ефектите на комплекса рецептор-лиганд. След това βγ-димерът взаимодейства с ефекторния протеин Е 2 (фиг. 2-5 Е). Освен това е показано, че членовете на семейството на RGS G протеини стимулират хидролизата на GTP (фиг. 2-5 E). Това инактивира α субединицата и комбинира всички субединици в αβγ хетеротример.

Ориз. 2-5. Цикълът на работа на хетеротримерен G-протеин, който задейства по-нататъшна верига от събития с помощта наα -подединици.

Обозначения: R - рецептор, L - лиганд, E - ефекторен протеин

Пътища на сигнална трансдукция чрез хетеротримерни G протеини

Фигура 2-6 A показва трите лиганда, техните рецептори, свързани с различни G протеини, и техните молекулни цели. Аденилат циклазата е основата за положителния или отрицателния контрол на пътищата на сигнална трансдукция, които се медиират от G протеини. В положителна контрола, свързването на стимулиращ лиганд като норепинефрин, действащ чрез β-адренергични рецептори, води до активиране на хетеротримерни G протеини с α субединица тип α S („s“ означава стимулация). Следователно, такъв G протеин се нарича G S -тип G протеин. Активирането на Gs-тип G протеини от лиганд-свързан рецептор кара неговата αs субединица да свързва GTP и след това да се дисоциира от βγ-димера.

Други регулаторни вещества, като епинефрин, действащ чрез α 2 рецептори, или аденозин, действащ чрез α 1 рецептори, или допамин, действащ чрез D 2 рецептори, участват в отрицателния или инхибиторен контрол на аденилат циклазата. Тези регулаторни вещества активират G i -тип G протеини, които имат α субединица от α i тип ("i" означава инхибиране). Свързване на инхибиторен лиганд към неговия

рецепторът активира G i -типа на G-протеините и причинява дисоциацията на неговата α i -субединица от βγ-димера. Активираната α i субединица се свързва с аденилат циклазата и потиска нейната активност. В допълнение, βγ димерите могат да свързват свободни α s субединици. По този начин свързването на βγ-димери към свободната α s -субединица допълнително потиска стимулацията на аденилат циклазата, блокирайки действието на стимулиращите лиганди.

Друг клас извънклетъчни агонисти (фиг. 2-6 A) се свързва с рецептори, които активират чрез G протеин, наречен G q, β-изоформата на фосфолипаза C. Той разцепва фосфатидилинозитол 4,5-бифосфат (фосфолипид, присъстващ в малки количества в плазмената мембрана) до инозитол 1,4,5-трифосфат и диацилглицерол, които са вторични посредници. IP 3, свързвайки се със специфични лиганд-зависими Ca 2+ канали на ендоплазмения ретикулум, освобождава Ca 2+ от него, т.е. повишава концентрацията на Ca 2+ в цитозола. Ca 2+ каналите на ендоплазмения ретикулум участват в електромеханичното свързване в скелетния и сърдечния мускул. Диацилглицеролът, заедно с Ca 2+, активира протеин киназа С. Неговите субстрати включват, например, протеини, участващи в регулирането на клетъчното делене.

Ориз. 2-6. Примери за пътища на сигнална трансдукция през хетеротримерни G протеини.

А - в дадените три примера, свързването на невротрансмитер с рецептор води до активиране на G протеина и последващо активиране на пътищата на втория месинджър. Gs, Gq и Gi се отнасят до три различни типа хетеротримерни G протеини. B - регулирането на клетъчните протеини чрез фосфорилиране води до повишаване или намаляване на тяхната активност, а това от своя страна определя необходимата за организма клетъчна реакция. Фосфорилирането на протеини се осъществява от протеин кинази, а дефосфорилирането се осъществява от протеин фосфатази. Протеин киназата пренася фосфатна група (Pi) от АТФ към серинови, треонинови или тирозинови остатъци на протеини. Това фосфорилиране обратимо променя структурата и функцията на клетъчните протеини. И двата вида ензими, кинази и фосфатази, се регулират от различни вътреклетъчни вторични посредници

Пътища за активиране на вътреклетъчни протеин кинази

Взаимодействието на хетеротримерни G-протеини с рецептора, свързан с лиганда, води до трансформация на α-субединица в активна форма, която има повишен афинитет към GTP и намален афинитет към βγ-комплекса. Активирането на повечето G протеини води до конформационна промяна в α субединицата, която освобождава GDP, свързва GTP и след това се дисоциира от βγ димера. След това дисоциираната α-субединица взаимодейства с ефекторните протеини в пътя на сигналната трансдукция.

Фигура 2-7 A демонстрира активирането на хетеротримерни G s -тип G протеини с α s -тип α субединица, което възниква поради свързване с рецепторния лиганд и води до свързване на α s -субединица на G s -тип G протеини GTP и след това се дисоциира от βγ-димера и след това взаимодейства с аденилат циклаза.Това води до повишаване на нивата на cAMP и активиране на PKA.

Фигура 2-7 B демонстрира активирането на хетеротримерни G t -тип G протеини с α t -тип α субединица, което възниква поради свързване с рецепторния лиганд и води до факта, че α t -субединица от G t -тип G протеините се активират и след това се дисоциират от βγ-димера и след това взаимодействат с фосфодиестераза.Това води до повишаване на нивата на cGMP и активиране на PKG.

Катехоламиновият рецептор α 1 взаимодейства с G αq субединицата, която активира фосфолипаза С. Фигура 2-7 B демонстрира активирането на хетеротримерни G протеини от G αq тип с α субединицата от α q тип, което възниква поради свързването на лиганда към рецептора и води до това, че α q -субединицата на G-протеините G αq -тип се активира и след това се дисоциира от βγ-димера и след това взаимодейства с фосфолипаза С.Той разцепва фосфатидилинозитол 4,5-дифосфат до IP 3 и DAG. Това води до повишаване на нивата на IP 3 и DAG. IP 3, свързване към специфични лиганд-зависими Ca 2+ канали на ендоплазмения ретикулум,

отделя Ca 2+ от него. DAG предизвиква активиране на протеин киназа С. В нестимулирана клетка значително количество от този ензим е в цитозола в неактивна форма. Ca 2+ причинява свързване на протеин киназа С към вътрешната повърхност на плазмената мембрана. Тук ензимът може да се активира от диацилглицерол, който се образува от хидролизата на фосфатидилинозитол 4,5-бисфосфат. Мембранният фосфатидилсерин може също да бъде активатор на протеин киназа С, ако ензимът се намира в мембраната.

Описани са около 10 изоформи на протеин киназа С, въпреки че някои от тях присъстват в много клетки на бозайници, подтиповете γ и ε се намират главно в клетките на централната нервна система. Подвидовете на протеин киназа С се различават не само по разпространението си в тялото, но, очевидно, и по механизмите за регулиране на тяхната активност. Някои от тях в нестимулираните клетки са свързани с плазмената мембрана, т.е. не изискват повишаване на концентрацията на Ca 2+ за активиране. Някои изоформи на протеин киназа С се активират от арахидонова киселина или други ненаситени мастни киселини.

Първоначалното преходно активиране на протеин киназа С възниква под влиянието на диацилглицерол, който се освобождава, когато се активира фосфолипаза С β, а също и под влияние на Ca 2+, освободен от вътреклетъчните депа от IP 3 . Дълготрайното активиране на протеин киназа С се задейства от рецептор-зависими фосфолипази A 2 и D. Те действат основно върху фосфатидилхолина, главния мембранен фосфолипид. Фосфолипаза А 2 отделя от него мастната киселина на второ място (обикновено ненаситена) и лизофосфатидилхолина. И двата продукта активират определени изоформи на протеин киназа С. Рецепторно-зависимата фосфолипаза D разгражда фосфатидилхолина, така че да се образуват фосфатидна киселина и холин. Фосфатидната киселина допълнително се разцепва до диацилглицерол, който участва в дългосрочното стимулиране на протеин киназа С.

Ориз. 2-7. Основни принципи на активиране на протеин киназа А, протеин киназа G и протеин киназа С.

Обозначения: R - рецептор, L - лиганд

cAMP-зависима протеин киназа (протеин киназа А) и свързани сигнални пътища

При липса на сАМР, сАМР-зависимата протеин киназа (протеин киназа А) се състои от четири субединици: две регулаторни и две каталитични. В повечето видове клетки каталитичната субединица е една и съща, а регулаторните субединици са силно специфични. Наличието на регулаторни субединици почти напълно потиска ензимната активност на комплекса. По този начин, активирането на ензимната активност на cAMP-зависимата протеин киназа трябва да включва дисоциация на регулаторни субединици от комплекса.

Активирането става в присъствието на микромоларни концентрации на сАМР. Всяка регулаторна субединица свързва две от своите молекули. Свързването на cAMP индуцира конформационни промени в регулаторните субединици и намалява афинитета на тяхното взаимодействие с каталитичните субединици. В резултат на това регулаторните субединици се отделят от каталитичните субединици и каталитичните субединици се активират. Активната каталитична субединица фосфорилира таргетните протеини при специфични серинови и треонинови остатъци.

Сравнението на аминокиселинните последователности на cAMP-зависими и други класове протеин кинази показва, че въпреки силните разлики в техните регулаторни свойства, всички тези ензими са силно хомоложни в първичната структура на средната част. Тази част съдържа АТФ-свързващия домен и активния център на ензима, който осигурява прехвърлянето на фосфат от АТФ към акцепторния протеин. Киназните региони извън тази каталитична средна част на протеина участват в регулирането на киназната активност.

Кристалната структура на каталитичната субединица на cAMP-зависимата протеин киназа също е определена. Каталитичната средна част на молекулата, присъстваща във всички известни протеин кинази, се състои от две части. По-малката част съдържа необичайно ATP-свързващо място, а по-голямата част съдържа пептидно свързващо място. Много протеин кинази също съдържат регулаторна област, известна като псевдосубстратен домейн.В аминокиселинната последователност той прилича на фосфорилиращите области на субстратните протеини. Псевдосубстратният домен, чрез свързване към активното място на протеин киназата, инхибира фосфорилирането на истинските субстрати на протеин киназата. Киназното активиране може да включва фосфорилиране или нековалентна алостерична модификация на протеин киназата за елиминиране на инхибиторния ефект на псевдосубстратния домен.

Ориз. 2-8. cAMP-зависима протеин киназа А и мишени.

Когато епинефринът се свърже със съответния му рецептор, активирането на α s субединицата стимулира аденилат циклазата да повиши нивата на сАМР. cAMP активира протеин киназа А, която чрез фосфорилиране има три основни ефекта. (1) Протеин киназа А активира гликоген фосфорилаза киназа, която фосфорилира и активира гликоген фосфорилаза. (2) Протеин киназа А инактивира гликоген синтазата и по този начин намалява образуването на гликоген. (3) Протеин киназа А активира фосфопротеин фосфатазен инхибитор-1 и по този начин инхибира фосфатазата. Общият ефект е да се координират промените в нивата на глюкозата.

Обозначения: UDP-глюкоза - уридиндифосфат глюкоза

Хормонална регулация на активността на аденилатциклазата

Фигура 2-9 A показва принципния механизъм на хормонално индуцирано стимулиране и инхибиране на аденилат циклазата. Взаимодействието на лиганд с рецептор, свързан с α субединица от тип α s (стимулиращ) причинява активиране на аденилат циклаза, докато взаимодействието на лиганд с рецептор, свързан с α субединица от тип α i (инхибиторен), причинява инхибиране на ензима. G βγ субединицата е идентична както в стимулиращите, така и в инхибиторните G протеини. G α субединиците и рецепторите са различни. Лиганд-стимулираното образуване на активни G α GTP комплекси се осъществява чрез същите механизми както в G αs, така и в G αi протеините. Въпреки това, G αs GTP и G αi GTP взаимодействат по различен начин с аденилат циклазата. Единият (G αs GTP) стимулира, а другият G αi GTP) инхибира неговата каталитична активност.

Фигура 2-9 B показва механизма на активиране и инхибиране на аденилат циклазата, индуцирана от определени хормони. β 1 -, β 2 - и D 1 -рецепторите взаимодействат със субединици, които активират аденилат циклазата и повишават нивата на сАМР. α 2 и D 2 рецепторите взаимодействат с G αi субединици, които инхибират аденилат циклазата. (Що се отнася до α 1 рецептора, той взаимодейства с G субединицата, която активира фосфолипаза С.) Помислете за един от примерите, представени на фигурата. Епинефринът се свързва с β 1 рецептора, което води до активиране на протеина G αs, който стимулира аденилат циклазата. Това води до повишаване на вътреклетъчните нива на cAMP и по този начин повишава PKA активността. От друга страна, норепинефринът се свързва с α 2 рецептора, което води до активиране на G αi протеина, който инхибира аденилат циклазата и по този начин намалява вътреклетъчното ниво на cAMP, намалявайки PKA активността.

Ориз. 2-9. Индуцирано от лиганд (хормон) активиране и инхибиране на аденилат циклаза.

А е основният механизъм. B - механизъм по отношение на специфични хормони

Протеин киназа С и свързаните сигнални пътища

α 1 рецепторът взаимодейства с G αq субединицата на G протеина, който активира фосфолипаза С. Фосфолипаза С разцепва фосфатидилинозитол 4,5-дифосфат до IP 3 и DAG. IP 3, свързвайки се със специфични лиганд-зависими Ca 2+ канали на ендоплазмения ретикулум, освобождава Ca 2+ от него, т.е. повишава концентрацията на Ca 2+ в цитозола. DAG предизвиква активиране на протеин киназа С. В нестимулирана клетка този ензим е неактивен в цитозола

форма. Ако нивото на цитозолния Ca 2+ се повиши, Ca 2+ взаимодейства с протеин киназа С, което води до свързване на протеин киназа С към вътрешната повърхност на клетъчната мембрана. В това положение ензимът се активира от диацилглицерол, образуван по време на хидролизата на фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат. Мембранният фосфатидилсерин може също да бъде активатор на протеин киназа С, ако ензимът се намира в мембраната.

Таблица 2-3 изброява изоформите на протеин киназа С от бозайници и свойствата на тези изоформи.

Таблица 2-3.Свойства на протеин киназа C изоформи на бозайници

DAG - диацилглицерол; PS - фосфатидилсерин; FFA - цис-ненаситени мастни киселини; LPC - лизофосфатидилхолин.

Ориз. 2-10. Диацилглицерол/инозитол 1,4,5-трифосфат сигнални пътища

Фосфолипази и свързани сигнални пътища, използвайки примера на арахидонова киселина

Някои агонисти се активират чрез G протеини фосфолипаза А 2,който действа върху мембранните фосфолипиди. Продуктите от техните реакции могат да активират протеин киназа С. По-специално, фосфолипаза А 2 отделя мастната киселина, разположена на второ място, от фосфолипидите. Поради факта, че някои фосфолипиди съдържат арахидонова киселина на тази позиция, причинена от фосфолипаза А 2, разграждането на тези фосфолипиди освобождава значително количество от нея.

Гореописаният сигнален път на арахидоновата киселина, свързан с фосфолипаза А2, се нарича директен. Индиректният път на активиране на арахидоновата киселина е свързан с фосфолипаза C β.

Самата арахидонова киселина е ефекторна молекула и освен това служи като прекурсор за вътреклетъчния синтез простагландини, простациклини, тромбоксаниИ левкотриени- важни класове регулаторни молекули. Арахидоновата киселина също се образува от продуктите на разпадане на диацил-глицероли.

Простагландини, простациклини и тромбоксани се синтезират от арахидонова киселина циклооксигеназа-зависим път,и левкотриени - липоксигеназа-зависим път.Един от противовъзпалителните ефекти на глюкокортикоидите е именно инхибирането на фосфолипаза А 2, която освобождава арахидоновата киселина от фосфолипидите. Ацетилсалициловата киселина (аспирин ) и други нестероидни противовъзпалителни лекарства инхибират окисляването на арахидоновата киселина от циклооксигеназата.

Ориз. 2-11. Сигнални пътища на арахидоновата киселина.

Обозначения: PG - простагландин, LH - левкотриен, GPETE - хидропероксиейкозатетраеноат, GETE - хидроксиейкозатетраеноат, EPR - ендоплазмен ретикулум

Калмодулин: структура и функции

Разнообразие от жизненоважни клетъчни процеси, включително освобождаване на невротрансмитери, секреция на хормони и мускулни контракции, се регулират от нивата на цитозолния Ca 2+. Един от начините, по който този йон влияе на клетъчните процеси, е чрез свързването му с калмодулин.

Калмодулин- протеин с молекулно тегло 16 700 (фиг. 2-12 А). Той присъства във всички клетки, като понякога представлява до 1% от общото им протеиново съдържание. Калмодулин свързва четири калциеви йона (фиг. 2-12 B и C), след което този комплекс регулира активността на различни вътреклетъчни протеини, много от които не са протеин кинази.

Ca 2+ комплексът с калмодулин също активира калмодулин-зависими протеин кинази. Специфични калмодулин-зависими протеин кинази фосфорилират специфични ефекторни протеини, като регулаторни леки вериги на миозин, фосфорилаза и фактор на елонгация II. Многофункционалните калмодулин-зависими протеин кинази фосфорилират множество ядрени, цитоскелетни или мембранни протеини. Някои калмодулин-зависими протеин кинази, като напр

леката верига на миозина и фосфорилаза киназата действат само върху един клетъчен субстрат, докато други са многофункционални и фосфорилират повече от един субстратен протеин.

Калмодулин-зависимата протеин киназа II е основен протеин на нервната система. В някои области на мозъка той представлява до 2% от общия протеин. Тази киназа участва в механизма, при който повишаването на концентрацията на Ca2+ в нервния терминал предизвиква освобождаване на невротрансмитер чрез екзоцитоза. Основният му субстрат е протеин, т.нар синапсин I,присъства в нервните окончания и се свързва с външната повърхност на синаптичните везикули. Когато синапсин I е свързан с везикулите, той предотвратява екзоцитозата. Фосфорилирането на синапсин I го кара да се отделя от везикулите, което им позволява да освободят невротрансмитер в синаптичната цепнатина чрез екзоцитоза.

Киназата на леката верига на миозина играе важна роля в регулирането на контракцията на гладката мускулатура. Увеличаването на цитозолната концентрация на Ca 2+ в гладкомускулните клетки активира киназата на леката верига на миозина. Фосфорилирането на регулаторните леки вериги на миозина води до продължително свиване на гладкомускулните клетки.

Ориз. 2-12. Калмодулин.

А - калмодулин без калций. B - свързване на калций с калмодулин и пептидната цел. B - схема на свързване.

Обозначения: EF - Ca 2+ -свързващи домени на калмодулин

Рецептори с присъща ензимна активност (каталитични рецептори)

Хормоните и растежните фактори се свързват с протеини на клетъчната повърхност, които имат ензимна активност от цитоплазмената страна на мембраната. Фигура 2-13 показва петте класа каталитични рецептори.

Един от типичните примери за трансмембрана рецептори с гуанилатциклазна активност, рецептор на предсърден натриуретичен пептид (ANP).Мембранният рецептор, към който се свързва ANP, е независим от разглежданите системи за сигнална трансдукция. По-горе беше описано действието на извънклетъчните агонисти, които чрез свързване към мембранни рецептори или активират аденилатциклазата чрез Gs протеини, или я инхибират чрез Gi. Мембранните рецептори за ANP са интересни, защото самите рецептори имат гуанилат циклазна активност, стимулирана от свързването на ANP към рецептора.

ANP рецепторите имат извънклетъчен ANP-свързващ домен, единична трансмембранна спирала и вътреклетъчен гуанилат циклазен домен. Свързването на ANP към рецептора повишава вътреклетъчните нива на cGMP, което стимулира cGMP-зависимата протеин киназа. За разлика от cAMP-зависимата протеин киназа, която има регулаторни и каталитични субединици, регулаторните и каталитичните домени на cGMP-зависимата протеин киназа са разположени на една и съща полипептидна верига. След това cGMP-зависимата киназа фосфорилира вътреклетъчните протеини, което води до различни клетъчни реакции.

Рецептори със серин-треонин киназна активностфосфорилират протеини само при серинови и/или треонинови остатъци.

Друго семейство от несвързани с G протеин мембранни рецептори се състои от протеини с присъща активност на тирозин-протеин киназа. Рецептори със собствена тирозин-протеин киназна активностса протеини с гликозилиран извънклетъчен домен, единственият

трансмембранна област и вътреклетъчен домен с тирозин-протеин киназна активност. Свързването на агонист към тях, напр. нервен растежен фактор (NGF),стимулира активността на тирозин-протеин киназата, която фосфорилира специфични ефекторни протеини при определени тирозинови остатъци. Повечето рецептори на растежен фактор се димеризират, когато NGF се свърже с тях. Това е димеризацията на рецептора, която води до появата на неговата тирозин протеин киназна активност. Активираните рецептори често се фосфорилират, което се нарича автофосфорилиране.

Към суперсемейството пептидни рецепторивключват инсулинови рецептори. Това също са тирозин протеин кинази. В подкласа рецептори, принадлежащи към семейството на инсулиновите рецептори, нелигандираният рецептор съществува като дисулфидно-свързан димер. Взаимодействието с инсулин води до конформационни промени в двата мономера, което увеличава свързването на инсулина, активира рецепторната тирозин киназа и води до повишено автофосфорилиране на рецептора.

Свързването на хормон или растежен фактор с неговия рецептор предизвиква различни клетъчни реакции, включително навлизането на Ca 2+ в цитоплазмата, повишен Na + /H + метаболизъм, стимулиране на усвояването на аминокиселини и захари, стимулиране на фосфолипаза С β и хидролиза на фосфатидилинозитол дифосфат.

Рецептори растежен хормон, пролактинИ еритропоетин,точно като рецепторите интерферони много цитокини,не служат директно като протеин кинази. Въпреки това, след активиране, тези рецептори образуват сигнални комплекси с вътреклетъчни тирозин-протеин кинази, които задействат техните вътреклетъчни ефекти. Ето защо те не са истински рецептори със собствена тирозин-протеинкиназна активност, а просто се свързват с тях.

Въз основа на структурата може да се приеме, че трансмембранен тирозин протеин фосфатазиса също рецептори и тяхната тирозин-протеин фосфатазна активност се модулира от извънклетъчни лиганди.

Ориз. 2-13. Каталитични рецептори.

A - гуанил циклазен рецептор, B - рецептор със серин-треонин киназна активност, B - рецептор със собствена тирозин-протеин киназна активност, D - рецептори, свързани с тирозин-протеин киназна активност

Свързани с рецептор протеин тирозин кинази, използвайки примера на интерферонови рецептори

Интерфероновите рецептори не са директно протеин кинази. Веднъж активирани, тези рецептори образуват сигнални комплекси с вътреклетъчни тирозин-протеин кинази, които задействат техните вътреклетъчни ефекти. Тоест, те не са истински рецептори със собствена тирозин-протеин киназна активност, а просто се свързват с тях, така наречените рецептори рецептор-свързани (рецептор-зависими) тирозин-протеин кинази.

Механизмите, чрез които тези рецептори упражняват своите ефекти, се задействат, когато хормонът се свърже с рецептора, което го кара да се димеризира. Рецепторният димер свързва един или повече членове Янус-семейство протеин тирозин кинази (JAK). JAK след това пресечете

фосфорилират един друг, както и рецептора. Членовете на семейството на сигналните преобразуватели и активаторите на транскрипция (STAT) свързват фосфорилирани домени върху рецептора и JAK комплекса. STAT протеините се фосфорилират от JAK кинази и след това се дисоциират от сигналния комплекс. Фосфорилираните STAT протеини в крайна сметка образуват димери, които се придвижват към ядрото, за да активират транскрипцията на определени гени.

Специфичността на рецептора за всеки хормон зависи отчасти от спецификата на членовете на семейството JAK или STAT, които се комбинират, за да образуват сигналния комплекс. В някои случаи сигнализиращият комплекс също активира MAP (митоген-активиращ протеин) киназна каскада чрез адапторни протеини, използвани от рецепторни тирозин кинази. Някои от лигандните отговори на рецепторната тирозин киназа също включват JAK и STAT пътищата.

Ориз. 2-14. Пример за каталитични рецептори, свързани с активността на протеин тирозин киназа. α-активиран рецептор -интерферон (А) иγ - интерферон (B)

Ras-подобни мономерни G протеини и техните медиирани пътища на трансдукция

Лиганд, като растежен фактор, се свързва с рецептор, който има своя собствена активност на протеин тирозин киназа, което води до повишена транскрипция в процес от 10 стъпки. Ras-подобни мономерни GTP-свързващи протеиниучастват в пътя на сигналната трансдукция на етапа на предаване на сигнала от рецептори със собствена тирозин-протеин киназна активност (например рецептори на растежен фактор) към вътреклетъчни ефектори. Активирането и инактивирането на мономерни GTP-свързващи протеини изисква допълнителни регулаторни протеини. Мономерните G протеини се активират от протеини, освобождаващи гуанин нуклеотид (GNRPs) и се инактивират от протеини, активиращи GTPase (GAPs).

Мономерни GTP-свързващи протеини от семейство Ras медиират свързването на митогенни лиганди и техните тирозин-протеин киназни рецептори, което задейства вътреклетъчни процеси, водещи до клетъчна пролиферация. Когато Ras протеините са неактивни, клетките не реагират на растежни фактори, действащи чрез тирозин киназни рецептори.

Активирането на Ras задейства път на сигнална трансдукция, което в крайна сметка води до транскрипция на определени гени, които насърчават клетъчния растеж. Каскадата MAP киназа (MAPK) участва в отговорите при Ras активиране. Протеин киназа С също активира MAP киназната каскада. По този начин, MAP киназната каскада изглежда е важна точка на конвергенция за различни ефекти, предизвикващи клетъчна пролиферация. Освен това има кръстосване между протеин киназа С и тирозин кинази. Например, γ изоформата на фосфолипаза С се активира чрез свързване с активиран Ras протеин. Това активиране се предава на протеин киназа С в процеса на стимулиране на фосфолипидната хидролиза.

Фигура 2-15 показва механизъм, който включва 10 етапа.

1. Свързването на лиганда води до димеризация на рецептора.

2. Активираната протеин тирозин киназа (RTK) се фосфорилира.

3.GRB 2 (протеин-2, свързан с рецептор на растежен фактор), протеин, съдържащ SH 2, разпознава фосфотирозинови остатъци върху активирания рецептор.

4. GRB 2 свързването включва SOS (син на безседем)протеин за обмен на гуанин нуклеотид.

5.SOS активира Ras, като формира GTP върху Ras вместо GDP.

6. Активният Ras-GTP комплекс активира други протеини чрез физическото им включване в плазмената мембрана. Активният Ras-GTP комплекс взаимодейства с N-терминалната част на серин-треонин киназата Raf-1 (известна като митоген-активиращ протеин, MAP), първата в серия от активирани протеин кинази, които предават сигнал за активиране към клетката ядро.

7.Raf-1 фосфорилира и активира протеин киназа, наречена MEK, която е известна като MAP киназа киназа (MAPKK). MEK е многофункционална протеин киназа, която фосфорилира тирозинови и серин/треонинови остатъчни субстрати.

8. MEK фосфорилира MAP киназа (MAPK), която също се задейства от извънклетъчна сигнална регулаторна киназа (ERK 1, ERK 2). Активирането на MAPK изисква двойно фосфорилиране на съседни серинови и тирозинови остатъци.

9. MAPK служи като критична ефекторна молекула в Ras-зависима сигнална трансдукция, тъй като фосфорилира много клетъчни протеини след митогенна стимулация.

10. Активираният MAPK се премества в ядрото, където фосфорилира транскрипционния фактор. По принцип активираният Ras активира MAP

като се свържете с нея. Тази каскада води до фосфорилиране и активиране на MAP киназа, която от своя страна фосфорилира транскрипционни фактори, протеинови субстрати и други протеин кинази, важни за клетъчното делене и други реакции. Активирането на Ras зависи от адапторни протеини, свързващи се с фосфотирозинови домени на рецептори, активирани от растежен фактор. Тези адаптерни протеини се свързват и активират GNRF (протеин за обмен на гуанин нуклеотид), който активира Ras.

Ориз. 2-15. Регулиране на транскрипцията от Ras-подобни мономерни G протеини, задействани от рецептор със собствена тирозин-протеин киназна активност

Регулиране на транскрипцията от cAMP-зависим протеин, взаимодействащ с ДНК елемент (CREB)

CREB, широко разпространен транскрипционен фактор, обикновено се свързва с област от ДНК, наречена CRE (cAMP отговор елемент).При липса на стимулация CREB се дефосфорилира и няма ефект върху транскрипцията. Многобройни пътища на сигнална трансдукция чрез активиране на кинази (като PKA, Ca 2+ /калмодулин киназа IV, MAP киназа) водят до фосфорилиране на CREB. Фосфорилираният CREB се свързва C.B.P.(CREB-свързващ протеин- CREB-свързващ протеин), който има домен, стимулиращ транскрипцията. Успоредно с това, фосфорилирането активира РР1

(фосфопротеин фосфатаза 1), който дефосфорилира CREB, което води до спиране на транскрипцията.

Доказано е, че активирането на CREB-медиирания механизъм е важно за осъществяването на по-високи когнитивни функции като учене и памет.

Фигура 2-15 също показва структурата на cAMP-зависимата PKA, която в отсъствието на cAMP се състои от четири субединици: две регулаторни и две каталитични. Наличието на регулаторни субединици потиска ензимната активност на комплекса. Свързването на cAMP индуцира конформационни промени в регулаторните субединици, което води до отделяне на регулаторните субединици от каталитичните субединици. Каталитичният PKA навлиза в клетъчното ядро ​​и инициира процеса, описан по-горе.

Ориз. 2-16. Регулиране на генната транскрипция от CREB (cAMP отговор елемент свързващ протеин)чрез повишаване на нивата на цикличния аденозин монофосфат

Кратко описание:

Учебни материали по биохимия и молекулярна биология: Структура и функции на биологичните мембрани.

МОДУЛ 4: СТРУКТУРА И ФУНКЦИЯ НА БИОЛОГИЧНИТЕ МЕМБРАНИ

_Теми _

4.1. Обща характеристика на мембраните. Структура и състав на мембраните

4.2. Транспорт на вещества през мембрани

4.3. Трансмембранна сигнализация _

Цели на обучението Да може да:

1. Интерпретирайте ролята на мембраните в регулирането на метаболизма, транспортирането на вещества в клетката и отстраняването на метаболитите.

2. Обяснете молекулярните механизми на действието на хормоните и другите сигнални молекули върху таргетните органи.

Зная:

1. Структурата на биологичните мембрани и тяхната роля в метаболизма и енергията.

2. Основните методи за пренос на вещества през мембрани.

3. Основните компоненти и етапи на трансмембранното сигнализиране на хормони, медиатори, цитокини, ейкозаноиди.

ТЕМА 4.1. ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА МЕМБРАНИТЕ.

СТРУКТУРА И СЪСТАВ НА МЕМБРАНИТЕ

Всички клетки и вътреклетъчни органели са заобиколени от мембрани, които играят важна роля в тяхната структурна организация и функциониране. Основните принципи за изграждане на всички мембрани са еднакви. Въпреки това, плазмената мембрана, както и мембраните на ендоплазмения ретикулум, апарата на Голджи, митохондриите и ядрото, имат значителни структурни характеристики; те са уникални по своя състав и по естеството на функциите, които изпълняват.

Мембрани:

Клетките се отделят от околната среда и се разделят на отделения;

Регулират транспорта на вещества в клетките и органелите и в обратна посока;

Осигуряват специфичност на междуклетъчните контакти;

Те възприемат сигнали от външната среда.

Координираното функциониране на мембранните системи, включително рецептори, ензими и транспортни системи, спомага за поддържането на клетъчната хомеостаза и бързото реагиране на промените в състоянието на външната среда чрез регулиране на метаболизма в клетките.

Биологичните мембрани са изградени от липиди и протеини, свързани помежду си чрез нековалентенвзаимодействия. Основата на мембраната е липиден двоен слой,която включва белтъчни молекули (фиг. 4.1). Липидният бислой е изграден от два реда амфифиленмолекули, чиито хидрофобни "опашки" са скрити вътре, а хидрофилните групи - полярни "глави" - са обърнати навън и са в контакт с водната среда.

1. Мембранни липиди.Мембранните липиди съдържат както наситени, така и ненаситени мастни киселини. Ненаситените мастни киселини се срещат два пъти по-често от наситените мастни киселини, което определя течливостмембрани и конформационна лабилност на мембранните протеини.

Мембраните съдържат три основни вида липиди – фосфолипиди, гликолипиди и холестерол (фиг. 4.2 – 4.4). Най-често глицерофосфолипидите са производни на фосфатидната киселина.

Ориз. 4.1. Напречно сечение на плазмената мембрана

Ориз. 4.2. Глицерофосфолипиди.

Фосфатидната киселина е диацилглицерол фосфат. R 1, R 2 - радикали на мастни киселини (хидрофобни "опашки"). Остатък от полиненаситена мастна киселина е свързан с втория въглероден атом на глицерола. Полярната „глава“ е остатък от фосфорна киселина и хидрофилна група от серин, холин, етаноламин или инозитол, прикрепена към него

Има и липидни производни амино алкохол сфингозин.

Аминоалкохолът сфингозин при ацилиране, т.е. добавянето на мастна киселина към NH2 групата се превръща в серамид. Керамидите се различават по остатъка от мастна киселина. Различни полярни групи могат да бъдат свързани с ОН групата на керамида. В зависимост от структурата на полярната "глава" тези производни се разделят на две групи - фосфолипиди и гликолипиди. Структурата на полярната група сфингофосфолипиди (сфингомиелини) е подобна на глицерофосфолипидите. Много сфингомиелини се съдържат в миелиновите обвивки на нервните влакна. Гликолипидите са въглехидратни производни на керамида. В зависимост от структурата на въглехидратния компонент се разграничават цереброзиди и ганглиозиди.

Холестеролоткрит в мембраните на всички животински клетки, той придава твърдост на мембраните и намалява тяхната течливост(течливост). Молекулата на холестерола е разположена в хидрофобната зона на мембраната успоредно на хидрофобните "опашки" на фосфо- и гликолипидните молекули. Хидроксилната група на холестерола, подобно на хидрофилните "глави" на фосфо- и гликолипидите,

Ориз. 4.3. Производни на аминоалкохола сфингозин.

Церамидът е ацилиран сфингозин (R1 е радикал на мастна киселина). Фосфолипидите включват сфингомиелини, в които полярната група се състои от остатък от фосфорна киселина и холин, етаноламин или серин. Хидрофилната група (полярна "глава") на гликолипидите е въглехидратен остатък. Цереброзидите съдържат моно или олигозахариден остатък с линейна структура. Съставът на ганглиозидите включва разклонен олигозахарид, една от мономерните единици на който е NANK - N-ацетилневраминова киселина

с лице към водната фаза. Моларното съотношение на холестерола и другите липиди в мембраните е 0,3-0,9. Тази стойност има най-висока стойност за цитоплазмената мембрана.

Увеличаването на съдържанието на холестерол в мембраните намалява мобилността на веригите на мастните киселини, което засяга конформационната лабилност на мембранните протеини и намалява възможността за тяхната странична дифузия.С увеличаване на течливостта на мембраната, причинена от действието на липофилни вещества върху тях или липидната пероксидация, делът на холестерола в мембраните се увеличава.

Ориз. 4.4. Позиция на фосфолипидите и холестерола в мембраната.

Молекулата на холестерола се състои от твърдо хидрофобно ядро ​​и гъвкава въглеводородна верига. Полярната "глава" е ОН групата при 3-тия въглероден атом на молекулата на холестерола. За сравнение, фигурата показва схематично представяне на мембранен фосфолипид. Полярната глава на тези молекули е много по-голяма и има заряд

Липидният състав на мембраните е различен, съдържанието на един или друг липид очевидно се определя от разнообразието от функции, които тези молекули изпълняват в мембраните.

Основните функции на мембранните липиди са, че те:

Образува се липиден бислой – структурната основа на мембраните;

Осигуряват необходимата среда за функционирането на мембранните протеини;

Участват в регулацията на ензимната активност;

Служи като "котва" за повърхностни протеини;

Участват в предаването на хормонални сигнали.

Промените в структурата на липидния двоен слой могат да доведат до нарушаване на мембранните функции.

2. Мембранни протеини.Мембранните протеини се различават по позицията си в мембраната (фиг. 4.5). Мембранните протеини в контакт с хидрофобната област на липидния бислой трябва да са амфифилни, т.е. имат неполярен домейн. Амфифилността се постига поради факта, че:

Аминокиселинните остатъци в контакт с липидния двоен слой обикновено са неполярни;

Много мембранни протеини са ковалентно свързани с остатъци от мастни киселини (ацилирани).

Ацилните остатъци от мастни киселини, прикрепени към протеина, осигуряват неговото "закотвяне" в мембраната и възможността за странична дифузия. В допълнение, мембранните протеини претърпяват пост-транслационни модификации като гликозилиране и фосфорилиране. Гликозилирането на външната повърхност на интегралните протеини ги предпазва от увреждане от протеази в междуклетъчното пространство.

Ориз. 4.5. Мембранни протеини:

1, 2 - интегрални (трансмембранни) протеини; 3, 4, 5, 6 - повърхностни протеини. В интегралните протеини част от полипептидната верига е потопена в липидния слой. Тези части от протеина, които взаимодействат с въглеводородните вериги на мастните киселини, съдържат предимно неполярни аминокиселини. Белтъчните области, разположени в областта на полярните „глави“, са обогатени с хидрофилни аминокиселинни остатъци. Повърхностните протеини са прикрепени към мембраната по различни начини: 3 - свързани с интегрални протеини; 4 - прикрепен към полярните "глави" на липидния слой; 5 - "закотвен" в мембраната с помощта на къс хидрофобен краен домен; 6 - "закотвен" в мембраната с помощта на ковалентно свързан ацилов остатък

Външният и вътрешният слой на една и съща мембрана се различават по състава на липидите и протеините. Тази особеност в структурата на мембраните се нарича трансмембранна асиметрия.

Мембранните протеини могат да участват в:

Селективен транспорт на вещества в и извън клетката;

Предаване на хормонални сигнали;

Образуването на "ограничени ями", участващи в ендоцитозата и екзоцитозата;

Имунологични реакции;

Качеството на ензимите при трансформацията на веществата;

Организация на междуклетъчните контакти, които осигуряват образуването на тъкани и органи.

ТЕМА 4.2. ТРАНСПОРТ НА ВЕЩЕСТВАТА ПРЕЗ МЕМБРАНИТЕ

Една от основните функции на мембраните е регулирането на преноса на вещества в и извън клетката, задържането на необходимите на клетката вещества и отстраняването на ненужните. Транспортът на йони и органични молекули през мембраните може да се осъществи по концентрационен градиент - пасивен транспорти срещу концентрационния градиент - активен транспорт.

1. Пасивен транспортможе да се извърши по следните начини (фиг. 4.6, 4.7):

Ориз. 4.6. Механизми на пренос на веществото през мембраните по концентрационен градиент

Пасивният транспорт включва дифузия на йони през протеинови канали,например дифузия на H+, Ca 2+, N+, K+. Функционирането на повечето канали се регулира от специфични лиганди или промени в трансмембранния потенциал.

Ориз. 4.7. Ca 2+ канал на мембраната на ендоплазмения ретикулум, регулиран от инозитол 1,4,5-трифосфат (IF 3).

IP 3 (инозитол-1,4,5-трифосфат) се образува по време на хидролизата на мембранния липид IF 2 (фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат) под действието на ензима фосфолипаза С. IP 3 се свързва със специфични центрове на протомери на Ca 2+ канала на мембраната на ендоплазмения ретикулум. Конформацията на протеина се променя и каналът се отваря - Ca 2+ навлиза в клетъчния цитозол по градиент на концентрация

2. Активен транспорт. Основно активентранспортът протича срещу концентрационен градиент с изразходването на енергия на АТФ с участието на транспортни АТФази, например Na+, K+-АТФаза, Н+-АТФаза, Ca 2 +-АТФаза (фиг. 4.8). Н + -АТФазите функционират като протонни помпи, с помощта на които се създава кисела среда в клетъчните лизозоми. С помощта на Ca 2+ -ATPase на цитоплазмената мембрана и мембраната на ендоплазмения ретикулум се поддържа ниска концентрация на калций в клетъчния цитозол и се създава вътреклетъчно депо на Ca 2+ в митохондриите и ендоплазмения ретикулум.

Вторично активнотранспортът се осъществява поради концентрационния градиент на едно от транспортираните вещества (фиг. 4.9), който най-често се създава от Na+, K+-АТФаза, която функционира с консумацията на АТФ.

Добавянето на вещество, чиято концентрация е по-висока, към активния център на протеина носител променя неговата конформация и увеличава афинитета към съединението, което преминава в клетката срещу градиента на концентрация. Вторичният активен транспорт е два вида: активен симпортИ антипорт.

Ориз. 4.8. Механизъм на функциониране на Ca 2 + ATPase

Ориз. 4.9. Вторичен активен транспорт

3. Пренос на макромолекули и частици с участието на мембрани - ендоцитоза и екзоцитоза.

Трансферът на макромолекули, като протеини, нуклеинови киселини, полизахариди или дори по-големи частици, от извънклетъчната среда в клетката става чрез ендоцитоза.Свързването на вещества или високомолекулни комплекси става в определени области на плазмената мембрана, които се наричат граничи с ями.Ендоцитозата, която протича с участието на рецептори, вградени в оградените вдлъбнатини, позволява на клетките да абсорбират специфични вещества и се нарича рецептор-зависима ендоцитоза.

Макромолекули, като пептидни хормони, храносмилателни ензими, извънклетъчни матрични протеини, липопротеинови комплекси, се секретират в кръвта или междуклетъчното пространство от екзоцитоза.Този метод на транспорт позволява веществата, които се натрупват в секреторни гранули, да бъдат отстранени от клетката. В повечето случаи екзоцитозата се регулира чрез промяна на концентрацията на калциеви йони в цитоплазмата на клетките.

ТЕМА 4.3. ТРАНСМЕМБРАННО ПРЕДАВАНЕ НА СИГНАЛИ

Важно свойство на мембраните е способността да възприемат и предават сигнали от околната среда в клетката. Клетките възприемат външни сигнали, когато взаимодействат с рецептори, разположени в мембраната на целевите клетки. Рецепторите, като прикрепят сигнална молекула, активират вътреклетъчните пътища за предаване на информация, което води до промени в скоростта на различни метаболитни процеси.

1. Сигнална молекула,специфично взаимодействащ с мембранен рецептор се нарича първичен пратеник.Различни химични съединения действат като първични посланици - хормони, невротрансмитери, ейкозаноиди, растежни фактори или физически фактори, като например квантовата светлина. Рецепторите на клетъчната мембрана, активирани от първичните пратеници, предават получената информация на система от протеини и ензими, които образуват каскада за предаване на сигнал,осигурявайки усилване на сигнала няколкостотин пъти. Времето за реакция на клетките, което се състои от активиране или инактивиране на метаболитни процеси, мускулна контракция и транспортиране на вещества от целевите клетки, може да бъде няколко минути.

Мембрана рецепторисе разделят на:

Рецептори, съдържащи субединица за свързване на първичния месинджър и йонен канал;

Рецептори, способни да проявяват каталитична активност;

Рецептори, които с помощта на G-протеини активират образуването на вторични (вътреклетъчни) посланици, които предават сигнал към специфични протеини и ензими на цитозола (фиг. 4.10).

Вторичните месинджъри имат малко молекулно тегло, дифундират с висока скорост в цитозола на клетката, променят активността на съответните протеини и след това бързо се разцепват или отстраняват от цитозола.

Ориз. 4.10. Рецептори, локализирани в мембраната.

Мембранните рецептори могат да бъдат разделени на три групи. Рецептори: 1 - съдържащ субединица, която свързва сигнална молекула и йонен канал, например ацетилхолинов рецептор на постсинаптичната мембрана; 2 - проявяващ каталитична активност след прикрепването на сигнална молекула, например инсулинов рецептор; 3, 4 - предаване на сигнал към ензима аденилатциклаза (АС) или фосфолипаза С (PLC) с участието на мембранни G-протеини, например различни видове рецептори за адреналин, ацетилхолин и други сигнални молекули

Роля вторични пратеницимолекулите и йоните изпълняват:

CAMP (цикличен аденозин-3,5"-монофосфат);

CGMP (цикличен гуанозин-3",5"-монофосфат);

IP 3 (инозитол 1,4,5-трифосфат);

DAG (диацилглицерол);

Има хормони (стероидни и тиреоидни), които, преминавайки през липидния двоен слой, проникват в клеткатаи си взаимодействат с вътреклетъчни рецептори.Физиологично важна разлика между мембранните и вътреклетъчните рецептори е скоростта на реакция на входящ сигнал. В първия случай ефектът ще бъде бърз и краткотраен, във втория - бавен, но дълготраен.

G протеин-свързани рецептори

Взаимодействието на хормони с G-протеин свързани рецептори води до активиране на инозитол фосфатната сигнална трансдукционна система или промени в активността на регулаторната система на аденилат циклазата.

2. Аденилатциклазна системавключва (фиг. 4.11):

- интегралнапротеини на цитоплазмената мембрана:

Rs - рецептор на първичния месинджър - активатор на аденилатциклазната система (ACS);

R ; - първичен месинджър рецептор - ACS инхибитор;

Ензим аденилат циклаза (АС).

- "закотвен"протеини:

G s е GTP-свързващ протеин, състоящ се от α, βγ субединици, в които (α, субединицата е свързана с GDP молекула;

Ориз. 4.11. Функциониране на аденилатциклазната система

G ; - GTP-свързващ протеин, състоящ се от αβγ-субединици, в които a; -субединица е свързана с молекулата на БВП; - цитозоленензим протеин киназа А (PKA).

Последователност от събития на първично сигнализиране на пратеник с помощта на аденилат циклазната система

Рецепторът има места за свързване на първичния месинджър на външната повърхност на мембраната и G протеина (α,βγ-GDP) на вътрешната повърхност на мембраната. Взаимодействието на активатор на аденилатциклазната система, например хормон, с рецептор (Rs) води до промяна в конформацията на рецептора. Афинитетът на рецептора към G. протеин се увеличава. Прикрепването на хормон-рецепторния комплекс към GS-GDP намалява афинитета на α,-субединицата на G.. протеина към GDP и повишава афинитета към GTP. В активния център на α,-субединицата БВП се заменя с ГТФ. Това причинява промяна в конформацията на α субединицата и намаляване на нейния афинитет към βγ субединиците. Отделената α,-GTP субединица се движи странично в липидния слой на мембраната към ензима аденилат циклаза.

Взаимодействието на α,-GTP с регулаторния център на аденилатциклазата променя конформацията на ензима, води до неговото активиране и увеличаване на скоростта на образуване на вторичния месинджър - цикличен аденозин-3,5"-монофосфат (cAMP) от ATP. Концентрацията на cAMP в клетката се повишава. cAMP молекулите могат обратимо да се свързват с регулаторните субединици на протеин киназа A (PKA), която се състои от две регулаторни (R) и две каталитични (C) субединици - (R 2 C 2). R2C2 комплексът няма ензимна активност. Прикрепването на сАМР към регулаторните субединици причинява промяна в тяхната конформация и загуба на комплементарност към С-субединиците. Каталитичните субединици придобиват ензимна активност.

Активната протеин киназа А фосфорилира специфични протеини при серинови и треонинови остатъци с помощта на АТФ. Фосфорилирането на протеини и ензими повишава или намалява тяхната активност, като по този начин променя скоростта на метаболитните процеси, в които участват.

Активирането на сигналната молекула на R рецептора стимулира функционирането на протеина Gj, което протича по същите правила, както при протеина G. Но когато α i -GTP субединицата взаимодейства с аденилат циклазата, ензимната активност намалява.

Инактивиране на аденилат циклаза и протеин киназа А

α,-субединица в комплекс с GTP, когато взаимодейства с аденилатциклаза, започва да проявява ензимна (GTP-фосфатазна) активност; тя хидролизира GTP. Получената GDP молекула остава в активния център на α-субединицата, променя своята конформация и намалява афинитета си към AC. Комплексът от AC и α,-GDP дисоциира, α,-GDP е включен в G.. протеина. Отделянето на α,-GDP от аденилат циклазата инактивира ензима и синтезът на cAMP спира.

Фосфодиестераза- "закотвеният" ензим на цитоплазмената мембрана хидролизира предварително образуваните cAMP молекули до AMP. Намаляването на концентрацията на cAMP в клетката причинява разцепването на cAMP 4 K "2 комплекса и повишава афинитета на R- и C-субединиците и се образува неактивна форма на PKA.

Фосфорилирани ензими и протеини под влияние фосфопротеин фосфатазипреминават в дефосфорилирана форма, тяхната конформация, активност и скорост на процесите, в които участват тези ензими, се променят. В резултат на това системата се връща в първоначалното си състояние и е готова да се активира отново, когато хормонът взаимодейства с рецептора. Това гарантира, че съдържанието на хормона в кръвта съответства на интензивността на реакцията на клетките-мишени.

3. Участие на аденилатциклазната система в регулацията на генната експресия.Много протеинови хормони: глюкагон, вазопресин, паратироиден хормон и др., Предавайки своя сигнал през аденилатциклазната система, могат не само да предизвикат промяна в скоростта на реакциите чрез фосфорилиране на ензими, които вече присъстват в клетката, но също така да увеличат или намалят техния брой , регулиращи генната експресия (фиг. 4.12). Активната протеин киназа А може да навлезе в ядрото и да фосфорилира транскрипционния фактор (CREB). Фосфорна връзка

Ориз. 4.12. Аденилатциклазен път, водещ до експресия на специфични гени

остатъкът повишава афинитета на транскрипционния фактор (CREB-(P) за специфична последователност на ДНК регулаторната зона-CRE (cAMP-response element) и стимулира експресията на гени за определени протеини.

Синтезираните протеини могат да бъдат ензими, увеличаването на броя на които увеличава скоростта на реакциите на метаболитните процеси, или мембранни транспортери, които осигуряват влизането или излизането на определени йони, вода или други вещества от клетката.

Ориз. 4.13. Инозитол фосфатна система

Работата на системата се осигурява от протеини: калмодулин, ензим протеин киназа С, Ca 2 + -калмодулин-зависими протеин кинази, Ca 2 + -регулирани канали на мембраната на ендоплазмения ретикулум, Ca 2 + -ATPases на клетъчни и митохондриални мембрани .

Последователност от събития на първично сигнализиране чрез инозитол фосфатна система

Свързването на активатора на инозитол фосфатната система към рецептора (R) води до промяна в неговата конформация. Афинитетът на рецептора към GF lc протеина се увеличава. Прикрепването на първичния месинджър-рецепторен комплекс към Gf ​​ls-GDP намалява афинитета на af l-субединица към GDP и увеличава афинитета към GTP. В активния център на субединицата aphl GDP се заменя с GTP. Това причинява промяна в конформацията на af ls субединицата и намаляване на афинитета към βγ субединиците и настъпва дисоциация на Gf ls протеина. Отделената aph ls-GTP субединица се движи странично по протежение на мембраната към ензима фосфолипаза С.

Взаимодействието на aphls-GTP със свързващия център на фосфолипаза С променя конформацията и активността на ензима и скоростта на хидролиза на фосфолипида на клетъчната мембрана - фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат (FIF 2) - се увеличава (фиг. 4.14). ).

Ориз. 4.14. Хидролиза на фосфатидилинозитол 4,5-бисфосфат (PIF 2)

По време на реакцията се образуват два продукта - вторични носители на хормоналния сигнал (second messengers): диацилглицерол, който остава в мембраната и участва в активирането на ензима протеин киназа С, и инозитол-1,4,5-трифосфат (IP 3), който, като хидрофилно съединение, преминава в цитозола. По този начин сигналът, получен от клетъчния рецептор, е раздвоен. IP 3 се свързва със специфични центрове на Ca 2+ канала на мембраната на ендоплазмения ретикулум (E)), което води до промяна в конформацията на протеина и отваряне на Ca 2+ канала. Тъй като концентрацията на калций в ER е приблизително 3-4 порядъка по-висока, отколкото в цитозола, след отваряне на канала Ca 2+ навлиза в цитозола по градиент на концентрация. При липса на IP 3 в цитозола каналът е затворен.

Цитозолът на всички клетки съдържа малък протеин, калмодулин, който има четири Ca 2+ места за свързване. С увеличаване на концентрацията

калций, той активно се свързва с калмодулин, образувайки 4Ca 2+ -калмодулин комплекс. Този комплекс взаимодейства с Ca 2+ -калмодулин-зависими протеин кинази и други ензими и повишава тяхната активност. Активирана Ca 2+ -калмодулин-зависима протеин киназа фосфорилира определени протеини и ензими, което води до промени в тяхната активност и скоростта на метаболитните процеси, в които участват.

Увеличаването на концентрацията на Ca 2+ в клетъчния цитозол увеличава скоростта на взаимодействие на Ca 2+ с неактивния цитозолен ензим протеин киназа С (PKC).Свързването на PKC с калциевите йони стимулира движението на протеина към плазмената мембрана и позволява на ензима да взаимодейства с отрицателно заредените "глави" на молекулите на фосфатидилсерин (PS) в мембраната. Диацилглицеролът, заемайки специфични места в протеин киназа С, допълнително повишава афинитета си към калциевите йони. От вътрешната страна на мембраната се образува активна форма на PKS (PKS? Ca 2 + ? PS? DAG), която фосфорилира специфични ензими.

Активирането на IF системата не трае дълго и след като клетката реагира на стимула, фосфолипаза С, протеин киназа С и Ca 2 + калмодулин-зависимите ензими се инактивират. af ls -субединицата в комплекс с GTP и фосфолипаза С проявява ензимна (GTP-фосфатазна) активност; хидролизира GTP. Apl-субединицата, свързана с GDP, губи своя афинитет към фосфолипаза С и се връща в първоначалното си неактивно състояние, т.е. е включен в комплекса αβγ-GDP (Gf lc-протеин).

Отделянето на apls-GDP от фосфолипаза С инактивира ензима и хидролизата на PIF 2 спира. Увеличаването на концентрацията на Ca 2+ в цитозола активира работата на Ca 2+ -ATPases на ендоплазмения ретикулум, цитоплазмената мембрана, която „изпомпва“ Ca 2+ от цитозола на клетката. В този процес участват и Na+/Ca 2+ и H+/Ca 2+ носители, функциониращи на принципа на активния антипорт. Намаляването на концентрацията на Ca 2+ води до дисоциация и инактивиране на Ca 2+ -калмодулин-зависимите ензими, както и загуба на афинитета на протеин киназа С към мембранните липиди и намаляване на нейната активност.

IP 3 и DAG, образувани в резултат на активиране на системата, могат отново да взаимодействат помежду си и да се превърнат във фосфатидилинозитол 4,5-бифосфат.

Фосфорилираните ензими и протеини под действието на фосфопротеин фосфатаза преминават в дефосфорилирана форма, тяхната конформация и активност се променят.

5. Каталитични рецептори.Каталитичните рецептори са ензими. Активатори на тези ензими могат да бъдат хормони, растежни фактори и цитокини. В активната си форма ензимните рецептори фосфорилират специфични протеини при -ОН групите на тирозина, поради което се наричат ​​тирозин протеин кинази (фиг. 4.15). С участието на специални механизми сигналът, получен от каталитичния рецептор, може да бъде предаден до ядрото, където стимулира или потиска експресията на определени гени.

Ориз. 4.15. Активиране на инсулинов рецептор.

Фосфопротеин фосфатазата дефосфорилира специфични фосфопротеини.

Фосфодиестеразата превръща cAMP в AMP и cGMP в GMP.

GLUT 4 - преносители на глюкоза в инсулинозависими тъкани.

Тирозин протеин фосфатазата дефосфорилира рецепторните β субединици

инсулин

Пример за каталитичен рецептор е инсулинов рецепторкойто се състои от две а- и две бета-субединици. α-субединиците са разположени на външната повърхност на клетъчната мембрана, β-субединиците проникват в двуслойната мембрана. Мястото на свързване на инсулина се образува от N-терминалните домени на α субединиците. Каталитичният център на рецептора е разположен върху вътреклетъчните домени на β-субединиците. Цитозолната част на рецептора има няколко тирозинови остатъка, които могат да бъдат фосфорилирани и дефосфорилирани.

Прикрепването на инсулин към свързващия център, образуван от α-субединиците, причинява кооперативни конформационни промени в рецептора. β-субединиците проявяват тирозин киназна активност и катализират трансавтофосфорилирането (първата β-субединица фосфорилира втората β-субединица и обратно) при няколко тирозинови остатъка. Фосфорилирането води до промени в заряда, конформацията и субстратната специфичност на ензима (Tyr-PK). Тирозин-PK фосфорилира определени клетъчни протеини, които се наричат ​​субстрати на инсулинов рецептор. На свой ред тези протеини участват в активирането на каскада от реакции на фосфорилиране:

фосфопротеин фосфатази(PPF), който дефосфорилира специфични фосфопротеини;

фосфодиестераза,който превръща cAMP в AMP и cGMP в GMP;

ГЛУТ 4- глюкозни транспортери в инсулинозависимите тъкани, поради което се увеличава доставката на глюкоза в мускулните клетки и мастната тъкан;

тирозин протеин фосфатаза,който дефосфорилира β-субединиците на инсулиновия рецептор;

ядрени регулаторни протеини, транскрипционни фактори,увеличаване или намаляване на експресията на гени на определени ензими.

Изпълнение на ефекта растежни факториможе да се извърши с помощта на каталитични рецептори, които се състоят от единична полипептидна верига, но при свързване на първичния месинджър те образуват димери. Всички рецептори от този тип имат екстрацелуларен гликозилиран домен, трансмембрана (а-спирала) и цитоплазмен домен, способни да проявяват активност на протеин киназа, когато се активират.

Димеризацията насърчава активирането на техните каталитични вътреклетъчни домени, които извършват трансавтофосфорилиране при аминокиселинни остатъци на серин, треонин или тирозин. Прикрепването на фосфорни остатъци води до образуване на центрове за свързване на специфични цитозолни протеини в рецептора и активиране на протеин киназната сигнална трансдукционна каскада (фиг. 4.16).

Последователност от събития на предаване на сигнал на първични посредници (растежни фактори) с участието на Ras и Raf протеини.

Свързването на рецептора (R) с растежния фактор (GF) води до неговата димеризация и трансавтофосфорилиране. Фосфорилираният рецептор придобива афинитет към Grb2 протеина. Образуваният комплекс FR*R*Grb2 взаимодейства с цитозолния протеин SOS. Промяна в SOS конформацията

осигурява взаимодействието му със закотвения мембранен протеин Ras-GDP. Образуването на комплекса FR?R?Ggb2?SOS?Ras-GDP намалява афинитета на Ras протеина към GDP и повишава афинитета към GTP.

Заместването на GDP с GTP променя конформацията на Ras протеина, който се отделя от комплекса и взаимодейства с Raf протеина в близката мембранна област. Комплексът Ras-GTP?Raf проявява активност на протеин киназа и фосфорилира ензима MEK киназа. Активираната MEK киназа от своя страна фосфорилира MAP киназата при треонин и тирозин.

Фиг.4.16. MAP киназна каскада.

Рецептори от този тип се намират в епидермалния растежен фактор (EGF), нервния растежен фактор (NGF) и други растежни фактори.

Grb2 е протеин, който взаимодейства с рецептора на растежния фактор (свързващ протеин на растежния рецептор); SOS (GEF) - обменен фактор GDP-GTP (обменен фактор на гуанин нуклеотид); Ras - G протеин (гуанидин трифосфатаза); Raf киназа - в активна форма - фосфорилира MEK киназата; МЕК киназа - MAP киназа киназа; MAP киназа - митоген-активирана протеин киназа

Добавянето на -PO 3 2- групата към аминокиселинните радикали на MAP киназата променя нейния заряд, конформация и активност. Ензимът фосфорилира специфични протеини на мембраните, цитозола и ядрото при серин и треонин.

Промените в активността на тези протеини засягат скоростта на метаболитните процеси, функционирането на мембранните транслокази и митотичната активност на целевите клетки.

Рецептори с гуанилатциклазна активностсъщо принадлежат към каталитичните рецептори. Гуанилат циклазакатализира образуването на cGMP от GTP, който е един от важните посланици (медиатори) на вътреклетъчното предаване на сигнала (фиг. 4.17).

Ориз. 4.17. Регулиране на мембранната гуанилат циклазна активност.

Мембранно свързаната гуанилат циклаза (GC) е трансмембранен гликопротеин. Свързващият център на сигналната молекула е разположен в извънклетъчния домен на гуанилат циклазата проявява каталитична активност в резултат на активиране;

Свързването на първичния посредник към рецептора активира гуанилат циклазата, която катализира превръщането на GTP в цикличен гуанозин-3,5"-монофосфат (cGMP), вторичния посредник. Концентрацията на cGMP в клетката се повишава. cGMP молекулите могат обратимо да се свързват с регулаторните центрове на протеин киназа G (PKG5), която се състои от две субединици. Четири молекули cGMP променят конформацията и активността на ензима. Активната протеин киназа G катализира фосфорилирането на определени протеини и ензими в клетъчния цитозол. Един от основните посланици на протеин киназа G е предсърдният натриуретичен фактор (ANF), който регулира хомеостазата на течностите в тялото.

6. Предаване на сигнал чрез вътреклетъчни рецептори.Хормоните, които са химически хидрофобни (стероидни хормони и тироксин), могат да дифундират през мембраните, така че техните рецептори са разположени в цитозола или ядрото на клетката.

Цитозолните рецептори са свързани с протеин шаперон, който предотвратява преждевременното активиране на рецептора. Ядрените и цитозолните рецептори на стероидните и тиреоидните хормони съдържат ДНК-свързващ домен, който осигурява взаимодействието на хормон-рецепторния комплекс с регулаторните области на ДНК в ядрото и промени в скоростта на транскрипция.

Последователност от събития, водещи до промени в скоростта на транскрипция

Хормонът преминава през липидния двоен слой на клетъчната мембрана. В цитозола или ядрото хормонът взаимодейства с рецептора. Комплексът хормон-рецептор преминава в ядрото и се прикрепя към регулаторната ДНК нуклеотидна последователност - подобрител(фиг. 4.18) или Заглушител.Достъпността на промотора до РНК полимеразата се увеличава при взаимодействие с усилвател или намалява при взаимодействие със заглушител. Съответно скоростта на транскрипция на определени структурни гени се увеличава или намалява. Зрелите тРНК излизат от ядрото. Скоростта на транслация на определени протеини се увеличава или намалява. Променя се количеството протеини, които влияят на метаболизма и функционалното състояние на клетката.

Във всяка клетка има рецептори, включени в различни сигнални трансдукционни системи, които преобразуват всички външни сигнали във вътреклетъчни. Броят на рецепторите за определен първичен пратеник може да варира от 500 до над 100 000 на клетка. Те са разположени върху мембраната отдалечени една от друга или концентрирани в определени нейни области.

Ориз. 4.18. Предаване на сигнал до вътреклетъчни рецептори

б) от таблицата изберете липидите, участващи в:

1. Активиране на протеин киназа С

2. Реакции на образуване на DAG под влияние на фосфолипаза С

3. Образуване на миелиновите обвивки на нервните влакна

в) напишете реакцията на хидролиза на липида, който сте избрали в параграф 2;

г) посочете кой от продуктите на хидролизата участва в регулирането на Ca 2 + канала на ендоплазмения ретикулум.

2. Избери верния отговор.

Конформационната лабилност на протеините носители може да бъде повлияна от:

B. Промяна в електрическия потенциал през мембраната

B. Прикрепване на специфични молекули D. Състав на мастни киселини на двуслойни липиди E. Количество прехвърлено вещество

3. Съвпада:

A. Калциев канал ER B. Ca 2 +-ATPase

D. Ka+-зависим Ca 2+ транспортер D. N+, K+-ATPase

1. Пренася Na+ по концентрационния градиент

2. Функционира по механизма на улеснена дифузия

3. Пренася Na+ срещу концентрационния градиент

4. Преместете масата. 4.2. в бележника си и го попълнете.

Таблица 4.2. Аденилат циклаза и инозитол фосфатни системи

Структура и етапи на работа	Аденилатциклазна система	Инозитол фосфатна система
Пример за основния месинджър на системата
Интегрален протеин на клетъчната мембрана, който взаимодейства комплементарно с първичния пратеник
Протеин, който активира ензимната сигнална система
Ензимна система, образуваща втори пратеник(и)
Вторични системи за съобщения
Цитозолен ензим(и) на системата, взаимодействащ с втория посредник
Механизмът на регулиране (в тази система) на активността на ензимите в метаболитните пътища
Механизми за намаляване на концентрацията на вторични месинджъри в таргетната клетка
Причината за намаляване на активността на мембранния ензим на сигналната система

ЗАДАЧИ ЗА САМОКОНТРОЛ

1. Съвпада:

А. Пасивен симпорт Б. Пасивен антипорт

B. Ендоцитоза D. Екзоцитоза

D. Първичен активен транспорт

1. Транспортът на веществото в клетката се осъществява заедно с част от плазмената мембрана

2. Едновременно две различни вещества преминават в клетката по концентрационния градиент

3. Преносът на вещества се извършва срещу градиента на концентрация

2. Изберете верният отговор.

аг-G протеинова субединица, свързана с GTP, активира:

А. Рецептор

Б. Протеин киназа А

B. Фосфодиестераза G. Аденилат циклаза D. Протеин киназа C

3. Съвпада.

функция:

A. Регулира активността на каталитичния рецептор B. Активира фосфолипаза C

Б. Превръща протеин киназа А в активна форма

Г. Повишава концентрацията на Ca 2+ в цитозола на клетката Г. Активира протеин киназа С

Вторичен месинджър:

4. Съвпада.

Операция:

A. Възможност за странична дифузия в двуслойната мембрана

Б. В комплекс с първичния месинджър, той се присъединява към усилвателя

B. Проявява ензимна активност, когато взаимодейства с първичния пратеник

D. Може да взаимодейства с G протеин

Г. По време на предаването на сигнала той взаимодейства с фосфолипаза С Рецептор:

1. Инсулин

2. Адреналин

3. Стероиден хормон

5. Изпълнете задачата "верига":

а) пептидните хормони взаимодействат с рецепторите:

А. В цитозола на клетката

B. Интегрални протеини на мембраните на прицелните клетки

Б. В клетъчното ядро

D. Ковалентно свързан с FIF 2

б) взаимодействието на такъв рецептор с хормон води до повишаване на концентрацията в клетката:

А. Хормон

Б. Междинни метаболити

B. Вторични посредници D. Ядрени протеини

V) тези молекули могат да бъдат:

A. TAG B. GTP

B. FIF 2 G. cAMP

G) те активират:

А. Аденилат циклаза

B. Ca 2+ -зависим калмодулин

B. Протеин киназа A D. Фосфолипаза C

д) този ензим променя скоростта на метаболитните процеси в клетката чрез:

A. Повишаване на концентрацията на Ca 2 + в цитозола B. Фосфорилиране на регулаторни ензими

Б. Активиране на протеин фосфатаза

D. Промени в генната експресия на регулаторни протеини

6. Изпълнете задачата „верига“:

а) прикрепването на растежен фактор (GF) към рецептора (R) води до:

А. Промени в локализацията на FR-R комплекса

Б. Димеризация и трансавтофосфорилиране на рецептора

B. Промяна в рецепторната конформация и прикрепването към Gs протеина D. Преместване на FR-R комплекса

б) Такива промени в структурата на рецептора повишават неговия афинитет към повърхностния мембранен протеин:

B. Raf G. Grb2

V) това взаимодействие увеличава вероятността цитозолният протеин да се присъедини към комплекса:

A. Calmodulina B. Ras

Б. ПКС Г. СОС

G) което увеличава комплементарността на комплекса към „закотвения“ протеин:

д) промяната в конформацията на "закотвения" протеин намалява неговия афинитет към:

A. cAMP B. GTP

B. БВП D. ATP

д) това вещество се заменя с:

A. HDF B. AMP

B. cGMP D. GTP

и) добавянето на нуклеотид насърчава взаимодействието на "закотвения" протеин с:

A. PKA B. Калмодулин

з) този протеин е част от комплекс, който фосфорилира:

A. MEK киназа B. Протеин киназа C

B. Протеин киназа A D. MAP киназа

И) този ензим от своя страна активира:

A. MEK киназа B. Протеин киназа G

B. Raf протеин D. MAP киназа

й) фосфорилирането на протеин повишава неговия афинитет към:

A. SOS и Raf протеини B. Ядрени регулаторни протеини B. Калмодулин D. Ядрени рецептори

k) активирането на тези протеини води до:

А. Дефосфорилиране на GTP в активния център на Ras протеина Б. Намаляване на афинитета на рецептора за растежен фактор

B. Увеличаване на скоростта на биосинтеза на матрицата D. Дисоциация на SOS-Grb2 комплекса

м) в резултат на това:

A. SOS протеинът се дисоциира от рецептора.

B. Настъпва дисоциация на рецепторни протомери (R)

B. Ras протеинът се отделя от Raf протеина

Г. Повишава се пролиферативната активност на таргетната клетка.

СТАНДАРТИ ЗА ОТГОВОРИ НА „ЗАДАЧИ ЗА САМОКОНТРОЛ“

1. 1-Б, 2-А, 3-Г

3. 1-Б, 2-Г, 3-Ж

4. 1-Б, 2-Г, 3-Б

5. a) B, b) C, c) D, d) C, e) B

6. a) B, b) D, c) G, d) A, e) B, f) D, g) G, h) A, i) G, j) C, l) C, m) D

ОСНОВНИ ТЕРМИНИ И ПОНЯТИЯ

1. Устройство и функции на мембраните

2. Транспорт на вещества през мембрани

3. Характеристики на структурата на мембранните протеини

4. Системи за трансмембранна сигнална трансдукция (аденилат циклаза, инозитол фосфат, гуанилат циклаза, каталитични и вътреклетъчни рецептори)

5. Първични посланици

6. Вторични пратеници (посредници)

ЗАДАЧИ ЗА РАБОТА В КЛАСНАТА СТАЯ

1. Вижте фиг. 4.19 и изпълнете следните задачи:

а) назоваване на вида транспорт;

б) установете реда на събитията:

А. Cl - напуска клетката по концентрационен градиент

Б. Протеин киназа А фосфорилира R субединицата на канала

B. Конформацията на R субединицата се променя

D. Настъпват кооперативни конформационни промени на мембранния протеин

D. Аденилатциклазната система се активира

Ориз. 4.19. Функциониране на С1 канала в чревния ендотел.

R е регулаторен протеин, който се превръща във фосфорилирана форма от протеин киназа A (PKA)

в) сравнете функционирането на Ca 2+ канала на мембраната на ендоплазмения ретикулум и Cl - канала на чревната ендотелна клетка, като попълните таблицата. 4.3.

Таблица 4.3. Методи за регулиране на функционирането на каналите

Решавам проблеми

1. Съкращението на сърдечния мускул активира Ca 2+, чието съдържание в цитозола на клетката се увеличава поради функционирането на cAMP-зависимите транспортери на цитоплазмената мембрана. От своя страна концентрацията на cAMP в клетките се регулира от две сигнални молекули - адреналин и ацетилхолин. Освен това е известно, че адреналинът, взаимодействайки с β2-адренергичните рецептори, повишава концентрацията на сАМР в миокардните клетки и стимулира сърдечния дебит, а ацетилхолинът, взаимодействайки с М2-холинергичните рецептори, намалява нивото на сАМР и контрактилитета на миокарда. Обяснете защо два първични посланика, използващи една и съща сигнална трансдукционна система, произвеждат различни клетъчни отговори. За това:

а) представете си схемата за предаване на сигнала за адреналин и ацетилхолин;

б) посочват разликата в каскадите за предаване на сигнала на тези месинджъри.

2. Ацетилхолинът, взаимодействайки с М3-холинергичните рецептори на слюнчените жлези, стимулира освобождаването на Ca 2+ от ER. Увеличаването на концентрацията на Ca 2+ в цитозола осигурява екзоцитоза на секреторни гранули и освобождаване на електролити и малки количества протеини в слюнчените канали. Обяснете как се регулира функционирането на ER Ca 2+ каналите. За това:

а) назовете вторичния носител, който осигурява отварянето на Ca 2+ канали в ER;

б) напишете реакцията на образуване на вторичния пратеник;

в) представя диаграма на трансмембранното предаване на сигнала на ацетилхолин, по време на чието активиране се образува регулаторният лиганд Ca 2+ канал

3. Изследователите на инсулиновия рецептор са идентифицирали значителна промяна в гена за протеин, който е един от субстратите на инсулиновия рецептор. Как едно нарушение в структурата на този протеин ще се отрази на функционирането на системата за трансдукция на инсулиновия сигнал? За да отговоря на въпроса:

а) дайте диаграма на трансмембранното предаване на сигнала на инсулин;

б) назовете протеините и ензимите, които инсулинът активира в прицелните клетки, посочете тяхната функция.

4. Ras протеинът е закотвен протеин на цитоплазмената мембрана. Функцията "котва" се изпълнява от 15-въглеродния фарнезилов остатък H 3 C-(CH 3) C=CH-CH 2 -[CH 2 -(CH 3) C=CH-CH 2 ] 2 -, който е прикрепен към протеина от ензима фарнезилтрансфераза по време на пост-транслационна модификация. Инхибиторите на този ензим в момента са подложени на клинични изпитвания.

Защо употребата на тези лекарства води до прекъсване на сигналната трансдукция на растежния фактор? Отговарям:

а) представя схема на предаване на сигнал, включваща Ras протеини;

б) обяснете функцията на Ras протеините и последствията от нарушаването на тяхното ацилиране;

в) познайте за лечение на какви заболявания са разработени тези лекарства.

5. Стероидният хормон калцитриол активира усвояването на хранителния калций, увеличавайки броя на Ca 2+ транспортните протеини в чревните клетки. Обяснете механизма на действие на калцитриол. За това:

а) дайте обща схема на предаване на сигнала на стероидния хормон и опишете неговото функциониране;

б) назовете процеса, който активира хормона в ядрото на клетката-мишена;

в) посочете в коя матрична биосинтеза ще участват синтезираните в ядрото молекули и къде се случва това.

Отговорът на таргетната клетка към действието на хормона се формира чрез създаването на хормонален рецепторен комплекс (GR), което води до активиране на самия рецептор, иницииране на клетъчния отговор. Хормонът адреналин, когато взаимодейства с рецептора, отваря мембранните канали, а входящият йонен ток Na + - определя функцията на клетката. Повечето хормони обаче отварят или затварят мембранните канали не самостоятелно, а във взаимодействие с G протеина.

Механизмът на действие на хормоните върху целевите клетки е свързан с тяхната химическа структура:

■ водоразтворимите хормони - протеини и полипептиди, както и производни на аминокиселини - катехоламини, взаимодействат с рецепторите на клетъчната мембрана, образувайки хормон-рецепторен комплекс (ГР) Появата на този комплекс води до образуването на a вторичен или вътреклетъчен посредник, с който се свързват промените в клетъчната функция, броят на рецепторите на повърхността на клетъчната мембрана е приблизително 104-105;

■ мастноразтворими хормони - стероиди - преминават през мембраната на целевата клетка и взаимодействат с плазмени рецептори, чийто брой варира от 3000 до 104, образувайки GR комплекс, който след това навлиза в ядрената мембрана. Стероидните хормони и производните на аминокиселината тирозин - тироксин и трийодтиронин - проникват през ядрената мембрана и взаимодействат с ядрените рецептори, свързани с една или повече хромозоми, което води до промени в протеиновия синтез в целевата клетка.

Според съвременните концепции ефектът на хормоните се дължи на стимулиране или инхибиране на каталитичната функция на определени ензими в целевите клетки. Този ефект може да се постигне по два начина:

■ взаимодействие на хормона с рецептори на повърхността на клетъчната мембрана и задействане на верига от биохимични трансформации в мембраната и цитоплазмата;

■ проникване на хормона през мембраната и свързване с цитоплазмените рецептори, след което хормонорецепторният комплекс прониква в ядрото и органелите на клетката, където осъществява регулаторния си ефект чрез синтеза на нови ензими.

Първият път води до активиране на мембранни ензими и образуване на вторични пратеници. Днес има четири известни системи от вторични пратеници:

■ аденилат циклаза - cAMP;

■ гуанилат циклаза - cGMP;

■ фосфолипаза - инозитол трифосфат;

■ калмодулин - йонизиран Ca 2+.

Вторият начин за въздействие върху целевите клетки е комплексообразуването на хормона с рецепторите, съдържащи се в клетъчното ядро, което води до активиране или инхибиране на неговия генетичен апарат.

Мембранни рецептори и вторични посредници

Хормоните, свързвайки се с мембранните рецептори на клетката-мишена, образуват хормон-рецепторен комплекс GR (стъпка 1) (фиг. 6.3). Конформационните промени в рецептора активират стимулиращия G протеин (комбиниран с рецептора), който е комплекс от три субединици (α-, β-, γ-) и гуанозин дифосфат (GDP). замяна

ТАБЛИЦА 6.11.Кратка характеристика на хормоните

Къде се произвеждат хормоните?		Име на хормона		съкращение	Ефекти върху таргетните клетки
хипоталамус		Тиротропин-освобождаващ хормон			Стимулира производството на тиротропин от аденохипофизата
хипоталамус		Кортикотропин освобождаващ хормон			Стимулира производството на ACTH от аденохипофизата
хипоталамус		Гонадотропин-освобождаващ хормон			Стимулира производството на лутеинизиращ (LH) и фоликулостимулиращ (FSP) хормон от аденохипофизата
хипоталамус		Освобождаващ фактор на растежен хормон			Стимулира производството на растежен хормон от аденохипофизата
хипоталамус		соматостатин			Потиска производството на растежен хормон от аденохипофизата
хипоталамус		Инхибиторен фактор на пролактин (допамин)			Потиска производството на пролактин от аденохипофизата
хипоталамус		Пролактин-стимулиращ фактор			Стимулира производството на пролактин от аденохипофизата
хипоталамус		окситоцин			Стимулира млечната секреция и маточните контракции
хипоталамус		Вазопресин - антидиуретичен хормон			Стимулира реабсорбцията на вода в дисталния нефрон
Преден дял на хипофизата		TSH или тиреоиден стимулиращ хормон		TSH или TSH	Стимулира синтеза и секрецията на тироксин и трийодтиронин от щитовидната жлеза
Преден дял на хипофизата					Стимулира секрецията на глюкокортикоиди (кортизол) от надбъбречната кора
Преден дял на хипофизата		фоликулостимулиращ хормон			Стимулира растежа на фоликулите и секрецията на естроген от яйчниците
Преден дял на хипофизата		лутеинизиращ хормон			Стимулира овулацията, образуването на жълтото тяло, както и синтеза на естроген и прогестерон от яйчниците
Преден дял на хипофизата		Хормон на растежа или соматотропен хормон			Стимулира протеиновия синтез и общия растеж
Преден дял на хипофизата		пролактин			Стимулира производството и секрецията на мляко
Преден дял на хипофизата		β-липотропин
Междинен лоб на хипофизната жлеза		Мелзнотропин			Стимулира синтеза на меланин при риби, земноводни, влечуги (при хората стимулира растежа на скелета (осификация на костите), повишава интензивността на метаболизма, производството на топлина, повишава усвояването на протеини, мазнини, въглехидрати от клетките, стимулира образуването на психични функции след раждането на дете
щитовидната жлеза		L-тироксин
		трийодтиронин
Кора на надбъбречната жлеза (ретикуларна зона)		полови хормони			Стимулира производството на дихидрохепиандростерон и андростендион
Надбъбречна кора (zona fasciculata)		Глюкокортикоиди (кортизол)			Стимулира глюконеогенезата, има противовъзпалителен ефект, потиска имунната система
Надбъбречна кора (zona glomerulosa)		алдостерон			Повишава реабсорбцията на Na + йони, секрецията на K + йони в тубулите на нефрона
мозък вещество надбъбречните жлези		Адреналин, норепинефрин			Активиране на алфа, бета адренергичните рецептори
		естрогени			Растеж и развитие на женските полови органи, пролиферативна фаза на менструалния цикъл
		прогестерон			Секреторна фаза на менструалния цикъл
		тестостерон			Сперматогенеза, мъжки вторични полови белези
Двойка щитовидни жлези		Парат хормон (паратироиден хормон)			Повишава концентрацията на Ca 2+ йони в кръвта (деминерализация на костите)
Щитовидна жлеза (C клетки)	калцитонин					Намалява концентрацията на Ca2+ йони в кръвта
Активиране в бъбреците	1,25-дихидроксихолекалциферол (калцитриол)					Повишава абсорбцията на Ca 2+ йони в червата
Панкреас - бета клетки						Намалява концентрацията на глюкоза в кръвта
Панкреас - алфа клетки	глюкагон					Повишава концентрацията на глюкоза в кръвта
плацента	Човешки хорионгонадотропин					Увеличава синтеза на естроген и прогестерон
плацента	Човешки плацентарен лактоген					Действа като хормон на растежа и пролактин по време на бременност

ОРИЗ. 6.3. Схема на механизма на действие на хормона с образуването на вторичния вътреклетъчен пратеник cAMP. GDP - гуанин дифосфат, GTP - гуанин трифосфат

GDP към гуанозин трифосфат GTP (стъпка 2) води до отделяне на α-субединица, която незабавно взаимодейства с други сигнални протеини, променяйки активността на йонните канали или клетъчните ензими - аденилатциклаза или фосфолипаза С - и клетъчната функция.

Действието на хормоните върху целевите клетки с образуването на втория посредник cAMP

Активираният мембранен ензим аденилат циклаза превръща АТФ във втория посредник цикличен аденозин монофосфат сАМР (стъпка 3) (виж Фиг. 6.3), който от своя страна активира ензима протеин киназа А (стъпка 4), което води до фосфорилиране на специфични протеини ( стъпка 5), следствие от което е промяна във физиологичната функция (стъпка 6), например образуването на нови мембранни канали за калциеви йони, което води до увеличаване на силата на сърдечните контракции.

Вторият посредник сАМР се разгражда от ензима фосфодиестераза до неактивната форма 5'-АМР.

Някои хормони (натриуретични) взаимодействат с инхибиторните G-протеини, което води до намаляване на активността на мембранните ензими аденилат циклаза и намаляване на клетъчната функция.

Действието на хормоните върху целевите клетки с образуването на вторични посредници - диацилглицерол и инозитол-3-фосфат

Хормонът образува комплекс с мембранния рецептор - OS (стъпка 1) (фиг. 6.4) и чрез G-протеина (стъпка 2) активира фосфолипаза С, прикрепена към вътрешната повърхност на рецептора (стъпка 3).

Под влияние на фосфолипаза С, която хидролизира мембранните фосфолипиди (фосфатидилинозитол бифосфат), се образуват два вторични месинджъра - диацилглицерол (DG) и инозитол-3-фосфат (IP3) (стъпка 4).

Вторичният посредник IP3 мобилизира освобождаването на Ca 2+ йони от митохондриите и ендоплазмения ретикулум (стъпка 5), които се държат като вторични носители. Са2+ йони заедно с DH (липиден втори посредник) активират ензима протеин киназа С (стъпка 6), който фосфорилира протеините и предизвиква промени във физиологичните функции на клетката-мишена.

Действието на хормоните чрез калциево-калмодулиновите системикойто действа като вторичен посредник. Когато калцият навлезе в клетката, той се свързва с калмодулина и го активира. Активираният калмодулин от своя страна повишава активността на протеин киназата, което води до фосфорилиране на протеини, променяйки клетъчните функции.

Ефектът на хормоните върху генетичния апарат на клетката

Мастноразтворимите стероидни хормони преминават през мембраната на таргетната клетка (стъпка 1) (фиг. 6.5), където се свързват с рецепторните протеини в цитоплазмата. Образуваният GR комплекс (стъпка 2) дифундира в ядрото и се свързва със специфични региони на ДНК на хромозомата (стъпка 3), активирайки процеса на транскрипция чрез образуването на иРНК (стъпка 4). ИРНК пренася матрицата в цитоплазмата, където осигурява транслационни процеси върху рибозомите (стъпка 5) и синтеза на нови протеини (стъпка 6), което води до промени във физиологичните функции.

Мастноразтворимите хормони на щитовидната жлеза, тироксин и трийодтиронин, навлизат в ядрото, където се свързват с рецепторния протеин, който е протеин, намиращ се в ДНК хромозомите. Тези рецептори контролират функцията както на генните промотори, така и на операторите.

Хормоните активират генетични механизми, открити в ядрото, които произвеждат повече от 100 вида клетъчни протеини. Много от тях са ензими, които повишават метаболитната активност на клетките на тялото. След като реагират веднъж с вътреклетъчните рецептори, тиреоидните хормони осигуряват контрол върху генната експресия за няколко седмици.

Ориз. 3. Схема за стимулиране на разграждането на гликогена чрез повишаване нивата на сАМР

Сигнали на цитоскелета

Регулираната от cAMP каскадна схема на ензимни взаимодействия изглежда сложна, но в действителност е още по-сложна. По-специално, рецепторите, свързани с първичните месинджъри, влияят върху активността на аденилатциклазата не директно, а чрез така наречените G-протеини (фиг. 4), работещи под контрола на гуанинтрифосфорната киселина (GTP).

Какво се случва, когато по някаква причина се наруши нормалната връзка на събитията? Пример за това е холерата. Vibrio cholerae токсинът засяга нивата на GTP и засяга активността на G протеините. В резултат на това нивото на сАМР в чревните клетки на болните от холера е постоянно високо, което причинява прехода на големи количества натриеви йони и вода от клетките в чревния лумен. Последицата от това е изтощителна диария и загуба на вода от тялото.

Обикновено под въздействието на ензима фосфодиестераза cAMP в клетката бързо се инактивира, превръщайки се в нецикличен аденозин монофосфат AMP. Протичането на друго заболяване, магарешка кашлица, причинено от бактерията Bordetella pertussis, е придружено от образуването на токсин, който инхибира превръщането на cAMP в AMP. Това води до неприятни симптоми на заболяването - зачервяване на гърлото и кашлица, водеща до повръщане.

Активността на фосфодиестеразата, която превръща cAMP в AMP, се влияе например от кофеин и теофилин, което причинява стимулиращия ефект на кафето и чая.

Разнообразието от ефекти на cAMP и начините за регулиране на концентрацията му в клетките го прави универсален втори посредник, който играе ключова роля в активирането на различни протеин кинази.

В различни клетки cAMP може да доведе до напълно различни ефекти. Това съединение не само участва в разграждането на гликогена и мазнините, но също така увеличава сърдечната честота, влияе върху мускулната релаксация, контролира интензивността на секрецията и скоростта на усвояване на течности. Той е вторичен посредник за цял набор от различни хормони: адреналин, вазопресин, глюкагон, серотонин, простагландин, тироид-стимулиращ хормон; cAMP действа в клетките на скелетния мускул, сърдечния мускул, гладката мускулатура, бъбреците, черния дроб и тромбоцитите.

Възниква разумен въпрос: защо различните клетки реагират на cAMP по различен начин? Може да се формулира и по друг начин: защо при повишаване на концентрацията на цАМР в различни клетки се активират различни протеин кинази, които фосфорилират различни протеини? Тази ситуация може да се илюстрира със следната аналогия. Представете си, че различни посетители - лиганди и първични пратеници - постоянно се приближават до вратата на офиса. В същото време те бият една камбана: чува се сигнал - вторичен пратеник. Как служителите на заведението могат да определят кой точно е дошъл на посещение и как да реагират на този посетител?

Мистерията на калциевите йони

Нека първо разгледаме какво се случва с втория изключително често срещан вторичен носител - калций, или по-скоро неговите йони. Тяхната ключова роля в редица биологични реакции е демонстрирана за първи път през 1883 г., когато Сидни Рингер забелязва, че изолирани жабешки мускули не се свиват в дестилирана вода. За да може един мускул да се свие в отговор на електрическа стимулация, е необходимо наличието на калциеви йони в неговата среда.

Последователността на основните събития, които се случват по време на свиването на скелетните мускули, вече е добре известна (фиг. 5). В отговор на електрически импулс, който достига до мускула по аксона на нервната клетка, вътре в мускулната клетка се отварят резервоари от калциеви йони - миофибрили - мембранни цистерни, в които концентрацията на калциеви йони може да бъде хиляда или повече пъти по-висока, отколкото в цитоплазмата (фиг. 6). Освободеният калций се свързва с протеина тропонин С, който е свързан с актинови нишки, покриващи вътрешната повърхност на клетката. Тропонинът (Фиг. 7) играе ролята на блокер, който предотвратява плъзгането на миозиновите нишки по актиновите нишки. В резултат на добавянето на калций към тропонина, блокът се отделя от нишката, миозинът се плъзга по актина и мускулът се свива (фиг. 8). Веднага след като свиването приключи, специални протеини - калциеви АТФази - изпомпват калциеви йони обратно във вътреклетъчните резервоари.

Концентрацията на вътреклетъчния калций се влияе не само от нервните импулси, но и от други сигнали. Например, това може да е cAMP, който вече ни е познат. В отговор на появата на адреналин в кръвта и съответно повишаване на концентрацията на сАМР в клетките на сърдечния мускул, в тях се освобождават калциеви йони, което води до увеличаване на сърдечната честота.

Веществата, които влияят на калция, могат да се съдържат и директно в клетъчната мембрана. Както е известно, мембраната се състои от фосфолипиди, сред които един - фосфоинозитол-4,5-дифосфат - играе специална роля. В допълнение към инозитола, молекулата на фосфоинозитол-4, 5-дифосфата съдържа две дълги въглеводородни вериги, състоящи се от 20 и 17 въглеродни атома (фиг. 9). Под въздействието на определени извънклетъчни сигнали и под контрола на вече познатите на читателите G-протеини, те се отделят, в резултат на което се образуват две молекули - диацилглицерол и инозитол трифосфат. Последният участва в освобождаването на вътреклетъчен калций (фиг. 10). Този вид сигнализиране се използва например при оплодени яйца на жаба с нокти.

Проникването на първия от много сперматозоиди в яйцеклетка, готова за оплождане, предизвиква образуването на инозитол трифосфат в нейната мембрана. В резултат на това калциевите йони се освобождават от вътрешните резервоари и мембраната на оплодената яйцеклетка незабавно набъбва, прекъсвайки пътя към яйцеклетката за по-малко щастливи или по-малко ефективни сперматозоиди.

Как нещо толкова просто като калциевите йони може да регулира активността на протеините? Оказа се, че той се свързва вътре в клетката със специален протеин, калмодулин (фиг. 11). Този доста голям протеин, състоящ се от 148 аминокиселинни остатъка, като cAMP, е открит в почти всички изследвани клетки.