Systémy sekundárnych poslov účinku hormónov sú:

1. adenylátcykláza a cyklický AMP,

2. Guanylátcykláza a cyklická GMP,

3. Fosfolipáza C:

diacylglycerol (DAG),

inozitoltrifosfát (IF3),

4. Ionizovaný Ca – kalmodulín

Heterotromický proteín G proteín.

Tento proteín tvorí slučky v membráne a má 7 segmentov. Sú prirovnávané k hadovitým stuhám. Má vystupujúce (vonkajšie) a vnútorné časti. Hormón je pripojený k vonkajšej časti a na vnútornom povrchu sú 3 podjednotky - alfa, beta a gama. V neaktívnom stave má tento proteín guanozíndifosfát. Ale po aktivácii sa guanozíndifosfát mení na guanozíntrifosfát. Zmena aktivity G proteínu vedie buď k zmene iónovej permeability membrány, alebo k aktivácii enzýmového systému v bunke (adenylátcykláza, guanylátcykláza, fosfolipáza C). To spôsobí tvorbu špecifických proteínov, aktivuje sa proteínkináza (nevyhnutná pre procesy fosforylácie).

G proteíny môžu byť aktivačné (Gs) a inhibičné, alebo inými slovami, inhibičné (Gi).

K deštrukcii cyklického AMP dochádza pôsobením enzýmu fosfodiesterázy. Cyklický GMF má opačný účinok. Pri aktivácii fosfolipázy C vznikajú látky, ktoré podporujú akumuláciu ionizovaného vápnika vo vnútri bunky. Vápnik aktivuje proteín cinázy a podporuje svalovú kontrakciu. Diacylglycerol podporuje premenu membránových fosfolipidov na kyselinu arachidónovú, ktorá je zdrojom tvorby prostaglandínov a leukotriénov.

Komplex hormonálnych receptorov preniká do jadra a pôsobí na DNA, ktorá mení transkripčné procesy a produkuje mRNA, ktorá opúšťa jadro a smeruje k ribozómom.

Preto hormóny môžu mať:

1. Kinetická alebo štartovacia akcia,

2. Metabolické pôsobenie,

3. Morfogenetický účinok (diferenciácia tkaniva, rast, metamorfóza),

4. Nápravné opatrenie (nápravné, prispôsobujúce sa).

Mechanizmy účinku hormónov v bunkách:

Zmeny priepustnosti bunkovej membrány,

aktivácia alebo inhibícia enzýmových systémov,

Vplyv na genetickú informáciu.

Regulácia je založená na úzkej interakcii endokrinného a nervového systému. Excitačné procesy v nervovom systéme môžu aktivovať alebo inhibovať činnosť žliaz s vnútornou sekréciou. (Vezmite si napríklad proces ovulácie u králika. K ovulácii u králika dochádza až po párení, čo stimuluje uvoľňovanie gonadotropného hormónu z hypofýzy. Ten spôsobuje proces ovulácie).

Po duševnej traume sa môže vyskytnúť tyreotoxikóza. Nervový systém riadi uvoľňovanie hormónov hypofýzy (neurohormónov) a hypofýza ovplyvňuje činnosť ostatných žliaz.

Existujú mechanizmy spätnej väzby. Akumulácia hormónu v tele vedie k inhibícii produkcie tohto hormónu príslušnou žľazou a nedostatok bude mechanizmom stimulácie tvorby hormónu.

Existuje mechanizmus samoregulácie. (Napríklad hladina glukózy v krvi podmieňuje produkciu inzulínu a (alebo) glukagónu, ak sa hladina cukru zvýši, vytvorí sa inzulín a ak sa zníži, vytvorí sa glukagón. Nedostatok Na stimuluje tvorbu aldosterónu).

5. Hypotalamo-hypofyzárny systém. Jeho funkčná organizácia. Neurosekrečné bunky hypotalamu. Charakteristika trópnych hormónov a uvoľňujúcich hormónov (liberíny, statíny). Epifýza (šišinka).

6. Adenohypofýza, jej spojenie s hypotalamom. Povaha pôsobenia hormónov prednej hypofýzy. Hypo- a hypersekrécia hormónov adenohypofýzy. Zmeny súvisiace s vekom v tvorbe hormónov v prednom laloku.

Bunky adenohypofýzy (pozri ich štruktúru a zloženie v histologickom priebehu) produkujú tieto hormóny: somatotropín (rastový hormón), prolaktín, tyreotropín (hormón stimulujúci štítnu žľazu), folikuly stimulujúci hormón, luteinizačný hormón, kortikotropín (ACTH), melanotropín, beta-endorfín, diabetogénny peptid, exoftalmický faktor a ovariálny rastový hormón. Pozrime sa bližšie na účinky niektorých z nich.

kortikotropín . (adrenokortikotropný hormón - ACTH) je vylučovaný adenohypofýzou v nepretržite pulzujúcich vzplanutiach, ktoré majú jasný denný rytmus. Sekrécia kortikotropínu je regulovaná priamymi a spätnoväzbovými spojeniami. Priame spojenie predstavuje hypotalamický peptid - kortikoliberín, ktorý zvyšuje syntézu a sekréciu kortikotropínu. Spätná väzba je vyvolaná obsahom kortizolu v krvi (hormón kôry nadobličiek) a je uzavretá na úrovni hypotalamu aj adenohypofýzy a zvýšenie koncentrácie kortizolu inhibuje sekréciu kortikotropínu a kortikotropínu.

Kortikotropín má dva typy účinku – nadobličkový a extraadrenálny. Účinok nadobličiek je hlavný a pozostáva zo stimulácie sekrécie glukokortikoidov a v oveľa menšej miere mineralokortikoidov a androgénov. Hormón zvyšuje syntézu hormónov v kôre nadobličiek - steroidogenézu a syntézu bielkovín, čo vedie k hypertrofii a hyperplázii kôry nadobličiek. Extraadrenálny účinok spočíva v lipolýze tukového tkaniva, zvýšenej sekrécii inzulínu, hypoglykémii, zvýšenom ukladaní melanínu s hyperpigmentáciou.

Nadbytok kortikotropínu je sprevádzaný rozvojom hyperkortizolizmu s prevládajúcim zvýšením sekrécie kortizolu a nazýva sa „Itsenko-Cushingova choroba“. Pre nadbytok glukokortikoidov sú typické hlavné prejavy: obezita a iné metabolické zmeny, zníženie účinnosti imunitných mechanizmov, rozvoj arteriálnej hypertenzie a možnosť vzniku cukrovky. Nedostatok kortikotropínu spôsobuje nedostatočnú funkciu glukokortikoidov nadobličiek s výraznými metabolickými zmenami, ako aj zníženie odolnosti organizmu voči nepriaznivým podmienkam prostredia.

Somatotropín. . Rastový hormón má široké spektrum metabolických účinkov, ktoré poskytujú morfogenetické účinky. Hormón ovplyvňuje metabolizmus bielkovín, zvyšuje anabolické procesy. Stimuluje prísun aminokyselín do buniek, syntézu bielkovín zrýchlením translácie a aktiváciou syntézy RNA, zvyšuje delenie buniek a rast tkanív a inhibuje proteolytické enzýmy. Stimuluje začlenenie sulfátu do chrupavky, tymidínu do DNA, prolínu do kolagénu, uridínu do RNA. Hormón spôsobuje pozitívnu dusíkovú bilanciu. Stimuluje rast epifýzových chrupaviek a ich nahradenie kostným tkanivom aktiváciou alkalickej fosfatázy.

Účinok na metabolizmus sacharidov je dvojaký. Na jednej strane somatotropín zvyšuje produkciu inzulínu jednak v dôsledku priameho účinku na beta bunky a jednak v dôsledku hormónmi vyvolanej hyperglykémie spôsobenej rozpadom glykogénu v pečeni a svaloch. Somatotropín aktivuje pečeňovú inzulínázu, enzým, ktorý ničí inzulín. Na druhej strane má somatotropín kontrainzulárny účinok, ktorý inhibuje využitie glukózy v tkanivách. Táto kombinácia účinkov môže v prítomnosti predispozície v podmienkach nadmernej sekrécie spôsobiť diabetes mellitus, pôvodom nazývaný hypofýza.

Účinkom na metabolizmus tukov je stimulácia lipolýzy tukového tkaniva a lipolytický účinok katecholamínov, zvýšenie hladiny voľných mastných kyselín v krvi; v dôsledku ich nadmerného príjmu do pečene a oxidácie sa zvyšuje tvorba ketolátok. Tieto účinky somatotropínu sú tiež klasifikované ako diabetogénne.

Ak sa v ranom veku vyskytne nadbytok hormónu, vzniká gigantizmus s proporcionálnym vývojom končatín a trupu. Nadbytok hormónu v dospievaní a dospelosti spôsobuje zvýšený rast epifýzových oblastí kostí kostry, oblastí s neúplnou osifikáciou, čo sa nazýva akromegália. . Zväčšujú sa aj vnútorné orgány – splanchomegália.

Pri vrodenom nedostatku hormónu sa vytvára nanizmus, nazývaný „hypofýzový nanizmus“. Po vydaní románu J. Swifta o Gulliverovi sa takýmto ľuďom hovorovo hovorí liliputáni. V iných prípadoch spôsobuje získaný nedostatok hormónu miernu retardáciu rastu.

Prolaktín . Sekréciu prolaktínu regulujú hypotalamické peptidy – inhibítor prolaktinostatín a stimulátor prolaktoliberín. Produkcia hypotalamických neuropeptidov je pod dopaminergnou kontrolou. Hladina estrogénu a glukokortikoidov v krvi ovplyvňuje množstvo sekrécie prolaktínu

a hormóny štítnej žľazy.

Prolaktín špecificky stimuluje vývoj mliečnej žľazy a laktáciu, ale nie jej sekréciu, ktorá je stimulovaná oxytocínom.

Okrem mliečnych žliaz prolaktín ovplyvňuje pohlavné žľazy, pomáha udržiavať sekrečnú aktivitu žltého telieska a tvorbu progesterónu. Prolaktín je regulátorom metabolizmu voda-soľ, znižuje vylučovanie vody a elektrolytov, potencuje účinky vazopresínu a aldosterónu, stimuluje rast vnútorných orgánov, erytropoézu, podporuje prejavy materského pudu. Okrem toho, že zvyšuje syntézu bielkovín, zvyšuje tvorbu tuku zo sacharidov, čím prispieva k popôrodnej obezite.

melanotropín . . Tvorí sa v bunkách stredného laloku hypofýzy. Produkcia melanotropínu je regulovaná hypotalamickým melanoliberínom. Hlavný účinok hormónu je na melanocyty kože, kde spôsobuje potlačenie pigmentu v procesoch, zvýšenie voľného pigmentu v epiderme obklopujúcej melanocyty a zvýšenie syntézy melanínu. Zvyšuje pigmentáciu pokožky a vlasov.

Neurohypofýza, jej spojenie s hypotalamom. Účinky hormónov zadnej hypofýzy (oxygocín, ADH). Úloha ADH pri regulácii objemu tekutín v tele. Diabetes insipidus.

vazopresín . . Tvorí sa v bunkách supraoptického a paraventrikulárneho jadra hypotalamu a hromadí sa v neurohypofýze. Hlavné podnety, ktoré regulujú syntézu vazopresínu v hypotalame a jeho vylučovanie do krvi hypofýzou, možno vo všeobecnosti nazvať osmotické. Sú reprezentované: a) zvýšením osmotického tlaku krvnej plazmy a stimuláciou cievnych osmoreceptorov a osmoreceptorových neurónov hypotalamu; b) zvýšenie obsahu sodíka v krvi a stimulácia hypotalamických neurónov, ktoré pôsobia ako sodíkové receptory; c) zníženie centrálneho objemu cirkulujúcej krvi a krvného tlaku, vnímané objemovými receptormi srdca a mechanoreceptormi krvných ciev;

d) emočno-bolestivý stres a fyzická aktivita; e) aktivácia renín-angiotenzínového systému a účinok neurosekrečných neurónov stimulujúcich angiotenzín.

Účinky vazopresínu sa realizujú vďaka väzbe hormónu v tkanivách na dva typy receptorov. Väzba na receptory typu Y1, lokalizované prevažne v stene krvných ciev, cez druhých poslov inozitoltrifosfát a vápnik spôsobuje cievny kŕč, ktorý prispieva k názvu hormónu - „vazopresín“. Väzba na receptory typu Y2 v distálnych častiach nefrónu prostredníctvom sekundárneho posla c-AMP zaisťuje zvýšenie priepustnosti zberných kanálikov nefrónu pre vodu, jeho reabsorpciu a koncentráciu v moči, čo zodpovedá druhému názvu vazopresínu -“ antidiuretický hormón, ADH“.

Okrem účinku na obličky a cievy je vazopresín jedným z dôležitých mozgových neuropeptidov, ktoré sa podieľajú na tvorbe smädu a pitia, na pamäťových mechanizmoch a regulácii sekrécie hormónov adenohypofýzy.

Nedostatok alebo dokonca úplná absencia sekrécie vazopresínu sa prejavuje vo forme prudkého zvýšenia diurézy s uvoľnením veľkého množstva hypotonického moču. Tento syndróm sa nazýva " diabetes insipidus“, môže byť vrodená alebo získaná.Prejavuje sa syndróm nadmerného vazopresínu (Parhonov syndróm).

pri nadmernom zadržiavaní tekutín v tele.

Oxytocín . Syntéza oxytocínu v paraventrikulárnych jadrách hypotalamu a jeho uvoľňovanie do krvi z neurohypofýzy je stimulované reflexnou dráhou pri dráždení napínacích receptorov krčka maternice a receptorov mliečnych žliaz. Estrogény zvyšujú sekréciu oxytocínu.

Oxytocín spôsobuje tieto účinky: a) stimuluje kontrakciu hladkého svalstva maternice, čím podporuje pôrod; b) vyvoláva kontrakciu buniek hladkého svalstva vylučovacích ciest mliečnej žľazy, čím sa zabezpečuje uvoľňovanie mlieka; c) má za určitých podmienok diuretický a natriuretický účinok; d) podieľa sa na organizácii správania pri pití a jedení; e) je ďalším faktorom regulácie sekrécie adenohypofýzových hormónov.

Všeobecné predstavy o dráhach prenosu signálu

U väčšiny regulačných molekúl medzi ich väzbou na membránový receptor a konečnou odpoveďou bunky, t.j. zmenou jeho fungovania sa vkladajú zložité série dejov – určité dráhy prenosu signálu, inak tzv prostredníctvom signálnych transdukčných dráh.

Regulačné látky sa zvyčajne delia na endokrinné, neurokrinné a parakrinné. Endokrinné regulátorov (hormóny) vylučované endokrinnými bunkami do krvi a ňou transportované do cieľových buniek, ktoré sa môžu nachádzať kdekoľvek v tele. Neurokrinné regulátory sú uvoľňované neurónmi v bezprostrednej blízkosti cieľových buniek. Parakrinný látky sa uvoľňujú o niečo ďalej od cieľov, ale stále dostatočne blízko k nim, aby sa dostali k receptorom. Parakrinné látky sú vylučované jedným typom buniek a pôsobia na iný, ale v niektorých prípadoch sú regulátory určené pre bunky, ktoré ich vylučovali, alebo pre susedné bunky rovnakého typu. To sa nazýva autokrinné regulácia.

V niektorých prípadoch posledná fáza prenosu signálu pozostáva z fosforylácie určitých efektorových proteínov, čo vedie k zvýšeniu alebo zníženiu ich aktivity, a to zase určuje bunkovú odpoveď potrebnú pre telo. Uskutočňuje sa fosforylácia proteínov proteínkinázy a defosforylácia - proteín fosfatázy.

Zmeny v aktivite proteínkinázy sa vyskytujú ako výsledok väzby regulačnej molekuly (všeobecne tzv ligand) s jeho membránovým receptorom, ktorý spúšťa kaskády dejov, z ktorých niektoré sú znázornené na obrázku (obr. 2-1). Aktivita rôznych proteínkináz je regulovaná receptorom nie priamo, ale prostredníctvom sekundárnych poslov(sekundárni sprostredkovatelia), ktorých úlohu zohrávajú napr. cyklický AMP (cAMP), cyklický GMP (cGMP), Ca2+, inozitol-1,4,5-trifosfát (IP 3) A diacylglycerol (DAG). V tomto prípade väzba ligandu na membránový receptor mení intracelulárnu hladinu druhého posla, čo následne ovplyvňuje aktivitu proteínkinázy. Mnoho regulátorov

Tieto molekuly ovplyvňujú bunkové procesy prostredníctvom signálnych transdukčných dráh, ktoré zahŕňajú heterotrimérne proteíny viažuce GTP (heterotrimérne G proteíny) alebo monomérne GTP-viažuce proteíny (monomérne G proteíny).

Keď sa molekuly ligandu viažu na membránové receptory, ktoré interagujú s heterotrimérnymi G proteínmi, G proteín prechádza do aktívneho stavu väzbou na GTP. Aktivovaný G proteín potom môže interagovať s mnohými efektorové proteíny predovšetkým enzýmami ako napr adenylátcykláza, fosfodiesteráza, fosfolipáza C, A 2 A D. Táto interakcia spúšťa reťazce reakcií (obr. 2-1), ktoré končia aktiváciou rôznych proteínkináz, ako napr. proteínkináza A (PKA), proteínkináza G (PKG), proteínkináza C (PKI).

Všeobecne povedané, signálna transdukčná dráha zahŕňajúca G-proteíny - proteínkinázy zahŕňa nasledujúce kroky.

1. Ligand sa viaže na receptor na bunkovej membráne.

2. Receptor naviazaný na ligand, ktorý interaguje s G-proteínom, ho aktivuje a aktivovaný G-proteín viaže GTP.

3. Aktivovaný G-proteín interaguje s jednou alebo viacerými z nasledujúcich zlúčenín: adenylátcykláza, fosfodiesteráza, fosfolipázy C, A2, D, pričom ich aktivuje alebo inhibuje.

4. Intracelulárna hladina jedného alebo viacerých druhých poslov, ako je cAMP, cGMP, Ca2+, IP3 alebo DAG, sa zvyšuje alebo znižuje.

5. Zvýšenie alebo zníženie koncentrácie druhého posla ovplyvňuje aktivitu jednej alebo viacerých na ňom závislých proteínkináz, ako je cAMP-dependentná proteínkináza (proteínkináza A), cGMP-dependentná proteínkináza (PKG), kalmodulín-dependentná proteínkináza(CMPC), proteínkináza C. Zmena koncentrácie druhého posla môže aktivovať jeden alebo druhý iónový kanál.

6. Úroveň fosforylácie enzýmu alebo iónového kanála sa mení, čo ovplyvňuje aktivitu iónového kanála a určuje konečnú odpoveď bunky.

Ryža. 2-1. Niektoré kaskády udalostí realizované v bunke v dôsledku sekundárnych poslov.

Označenia: * - aktivovaný enzým

membránové receptory spojené s G proteínom

Membránové receptory, ktoré sprostredkovávajú aktiváciu G proteínov závislú od agonistu, tvoria špeciálnu rodinu proteínov s viac ako 500 členmi. Zahŕňa α- a β-adrenergné, muskarínový acetylcholín, serotonín, adenozín, čuchové receptory, rodopsín, ako aj receptory pre väčšinu peptidových hormónov. Členovia rodiny receptorov spojených s G proteínom majú sedem transmembránových a-helixov (obrázok 2-2 A), z ktorých každý obsahuje 22-28 prevažne hydrofóbnych aminokyselinových zvyškov.

Pre niektoré ligandy, ako je acetylcholín, epinefrín, norepinefrín a serotonín, sú známe rôzne podtypy receptorov spojených s G-proteínom. Často sa líšia svojou afinitou ku kompetitívnym agonistom a antagonistom.

Nasleduje (obr. 2-2 B) molekulárna organizácia adenylátcyklázy, enzýmu, ktorý produkuje cAMP (prvý otvorený druhý posol). Regulačná dráha adenylátcyklázy sa považuje za klasickú dráhu prenosu signálu sprostredkovanú G proteínom.

Adenylátcykláza slúži ako základ pre pozitívnu alebo negatívnu kontrolu signálnych transdukčných dráh cez G proteíny. V pozitívnej kontrole vedie väzba stimulačného ligandu, ako je epinefrín, pôsobiaci cez β-adrenergné receptory k aktivácii heterotrimérnych G proteínov s α podjednotkou typu as („s“ znamená stimuláciu). Aktivácia G proteínov typu Gs receptorom naviazaným na ligand spôsobí, že sa jeho podjednotka ako podjednotka naviaže na GTP a potom sa oddelí od βγ-diméru.

Obrázok 2-2 B ukazuje, ako fosfolipáza C rozkladá fosfatidylinozitol 4,5-bisfosfát na inozitol 1,4,5-trifosfát a diacylglycerol. Obe látky, inozitol 1,4,5-trifosfát a diacylglycerol, sú sekundárnymi prenášačmi. IP3 väzbou na špecifické ligandovo závislé Ca 2+ kanály endoplazmatického retikula z neho uvoľňuje Ca 2+, t.j. zvyšuje koncentráciu Ca 2+ v cytosóle. Diacylglycerol spolu s Ca 2+ aktivuje ďalšiu dôležitú triedu proteínkináz – proteínkinázu C.

Potom je znázornená štruktúra niektorých druhých poslov (obr. 2-2 D-E): cAMP, GMP,

cGMP.

Ryža. 2-2. Príklady molekulárnej organizácie niektorých štruktúr zapojených do signálnych transdukčných dráh.

A je receptor bunkovej membrány, ktorý viaže ligand na vonkajšom povrchu a heterotrimérny G-proteín vo vnútri. B - molekulárna organizácia adenylátcyklázy. B - štruktúra fosfatidylinozitol-4,5-difosfátu a inozitol-1,4,5-trifosfátu a diacylglycerolu vznikajúce pôsobením fosfolipázy C. D - štruktúra 3",5"-cyklického AMP (aktivátor proteínkinázy A). D - štruktúra HMF. E - štruktúra 3",5"-cyklického GMP (aktivátor proteínkinázy G)

Heterotrimérne G proteíny

Heterotrimérny G proteín pozostáva z troch podjednotiek: α (40 000 – 45 000 Da), β (približne 37 000 Da) a γ (8 000 – 10 000 Da). V súčasnosti je známych asi 20 rôznych génov kódujúcich tieto podjednotky, vrátane aspoň štyroch génov p-podjednotky a približne siedmich génov cicavčích y-podjednotiek. Funkcia a špecifickosť G proteínu je zvyčajne, aj keď nie vždy, určená jeho a podjednotkou. Vo väčšine G proteínov sú podjednotky β a γ navzájom pevne spojené. Niektoré heterotrimérne G proteíny a transdukčné dráhy, na ktorých sa podieľajú, sú uvedené v tabuľke. 2-1.

Heterotrimérne G proteíny slúžia ako sprostredkovatelia medzi receptormi plazmatickej membrány pre viac ako 100 extracelulárnych regulačných látok a vnútrobunkových procesov, ktoré riadia. Vo všeobecnosti väzba regulačnej látky na jej receptor aktivuje G proteín, ktorý buď aktivuje alebo inhibuje enzým a/alebo spúšťa reťazec udalostí vedúcich k aktivácii špecifických iónových kanálov.

Na obr. 2-3 ukazuje všeobecný princíp fungovania heterotrimérnych G-proteínov. Vo väčšine G proteínov je podjednotka α „pracovníkom“ heterotrimérnych G proteínov. Aktivácia väčšiny G proteínov vedie ku konformačnej zmene v tejto podjednotke. Neaktívne G proteíny existujú hlavne vo forme αβγ heterotrimérov,

s GDP na nukleotidových väzbových pozíciách. Interakcia heterotrimérnych G-proteínov s receptorom naviazaným na ligand vedie ku konverzii α-podjednotky na aktívnu formu so zvýšenou afinitou k GTP a zníženou afinitou k βγ-komplexu. Výsledkom je, že aktivovaná α-podjednotka uvoľňuje GDP, viaže GTP a potom disociuje z βγ-diméru. Pre väčšinu G proteínov potom disociovaná a podjednotka interaguje s efektorovými proteínmi v signálnej transdukčnej dráhe. Avšak pre niektoré G proteíny môže byť uvoľnený βγ-dimér zodpovedný za všetky alebo niektoré z účinkov komplexu receptor-ligand.

Činnosť niektorých iónových kanálov je modulovaná G proteínmi priamo, t.j. bez účasti sekundárnych poslov. Napríklad väzba acetylcholínu na muskarínové M2 receptory v srdci a niektorých neurónoch vedie k aktivácii špeciálnej triedy K+ kanálov. V tomto prípade vedie väzba acetylcholínu na muskarínový receptor k aktivácii G proteínu. Jeho aktivovaná α-podjednotka potom disociuje z βγ-diméru a βγ-dimér priamo interaguje so špeciálnou triedou K+ kanálov, čím ich uvádza do otvoreného stavu. Väzba acetylcholínu na muskarínové receptory, ktorá zvyšuje vodivosť K+ kardiostimulátorových buniek v sinoatriálnom uzle srdca, je jedným z hlavných mechanizmov, ktorými parasympatické nervy spôsobujú zníženie srdcovej frekvencie.

Ryža. 2-3. Princíp fungovania heterotrimérnych GTP-viažucich proteínov (heterotrimérne G-proteíny).

Tabuľka 2-1.Niektoré cicavčie heterotrimérne proteíny viažuce GTP, klasifikované na základe ich α-podjednotiek*

* V rámci každej triedy α-podjednotiek sa rozlišuje niekoľko izoforiem. Bolo identifikovaných viac ako 20 a-podjednotiek.

Monomérne G proteíny

Bunky obsahujú ďalšiu rodinu proteínov viažucich GTP tzv monomérny GTP-viažuce proteíny. Sú tiež známe ako G proteíny s nízkou molekulovou hmotnosťou alebo malé G proteíny(molekulová hmotnosť 20 000-35 000 Da). Tabuľka 2-2 uvádza hlavné podtriedy monomérnych proteínov viažucich GTP a niektoré ich vlastnosti. Monomérne proteíny viažuce GTP podobné Ras a Rho sa podieľajú na dráhe prenosu signálu v štádiu prenosu signálu z tyrozínkinázy, receptora rastového faktora, k intracelulárnym efektorom. Medzi procesy regulované dráhami prenosu signálu, na ktorých sa podieľajú monomérne proteíny viažuce GTP, patrí predlžovanie polypeptidového reťazca počas syntézy proteínov, proliferácia a diferenciácia buniek, ich malígna degenerácia, kontrola aktínového cytoskeletu, komunikácia medzi cytoskeletom.

a extracelulárnu matricu, transport vezikúl medzi rôznymi organelami a exocytotickú sekréciu.

Monomérne proteíny viažuce sa na GTP, podobne ako ich heterotrimérne náprotivky, sú molekulárne prepínače, ktoré existujú v dvoch formách – aktivované „zapnuté“ a inaktivované „vypnuté“ (obr. 2-4 B). Avšak aktivácia a inaktivácia monomérnych GTP-viažucich proteínov vyžaduje ďalšie regulačné proteíny, ktoré, pokiaľ je známe, nie sú potrebné pre funkciu heterotrimérnych G proteínov. Aktivujú sa monomérne G proteíny proteíny uvoľňujúce guanínový nukleotid, a sú deaktivované Proteíny aktivujúce GTPázu. Aktivácia a inaktivácia monomérnych GTP-viažucich proteínov je teda riadená signálmi, ktoré menia aktivitu proteíny uvoľňujúce guanínový nukleotid alebo Proteíny aktivujúce GTPázu skôr než priamym ovplyvnením monomérnych G proteínov.

Ryža. 2-4. Princíp fungovania monomérnych GTP-viažucich proteínov (monomérne G-proteíny).

Tabuľka 2-2.Podrodiny monomérnych GTP-viažucich proteínov a niektoré vnútrobunkové procesy nimi regulované

Mechanizmus pôsobenia heterotrimérnych G-proteínov

Neaktívne G proteíny existujú primárne vo forme αβγ heterotrimérov s GDP na ich nukleotidových väzbových pozíciách (obrázok 2-5 A). Interakcia heterotrimérnych G-proteínov s receptorom naviazaným na ligand vedie k premene α-podjednotky na aktívnu formu, ktorá má zvýšenú afinitu k GTP a zníženú afinitu k βγ-komplexu (obr. 2-5 B ). Vo väčšine heterotrimérnych G proteínov je to α podjednotka, ktorá je štruktúrou, ktorá prenáša informácie. Aktivácia väčšiny G proteínov vedie ku konformačnej zmene v podjednotke a.

Výsledkom je, že aktivovaná α-podjednotka uvoľňuje GDP, pripája GTP (obr. 2-5 B) a potom disociuje z βγ-diméru (obr. 2-5 D). Vo väčšine G proteínov disociovaná a-podjednotka okamžite interaguje s efektorovými proteínmi (E 1) v signálnej transdukčnej dráhe (obr. 2-5 D). Avšak pre niektoré G proteíny môže byť uvoľnený βγ-dimér zodpovedný za všetky alebo niektoré z účinkov komplexu receptor-ligand. βγ-dimér potom interaguje s efektorovým proteínom E2 (obr. 2-5 E). Ďalej sa ukázalo, že členovia rodiny RGS G proteínov stimulujú hydrolýzu GTP (obr. 2-5 E). Toto inaktivuje α podjednotku a spája všetky podjednotky do αβγ heterotriméru.

Ryža. 2-5. Cyklus fungovania heterotrimérneho G-proteínu, ktorý spúšťa ďalší reťazec udalostí pomocou jehoα -podjednotky.

Označenia: R - receptor, L - ligand, E - efektorový proteín

Dráhy prenosu signálu cez heterotrimérne G proteíny

Obrázok 2-6 A ukazuje tri ligandy, ich receptory spojené s rôznymi G proteínmi a ich molekulárne ciele. Adenylátcykláza je základom pre pozitívnu alebo negatívnu kontrolu signálnych transdukčných dráh, ktoré sú sprostredkované G proteínmi. Pri pozitívnej kontrole vedie väzba stimulačného ligandu, ako je noradrenalín, pôsobiaci cez β-adrenergné receptory k aktivácii heterotrimérnych G proteínov s α podjednotkou typu α S („s“ znamená stimuláciu). Preto sa takýto G proteín nazýva G proteín GS-typu. Aktivácia G proteínov Gs-typu receptorom naviazaným na ligand spôsobí, že jeho podjednotka as sa naviaže na GTP a potom sa disociuje z βγ-diméru.

Na negatívnej alebo inhibičnej kontrole adenylátcyklázy sa podieľajú ďalšie regulačné látky, ako je epinefrín, pôsobiaci cez a2 receptory, alebo adenozín, pôsobiaci cez ai receptory, alebo dopamín, pôsobiaci cez D2 receptory. Tieto regulačné látky aktivujú G proteíny typu G i, ktoré majú α podjednotku typu α i („i“ znamená inhibíciu). Väzba inhibičného ligandu na jeho

receptor aktivuje G i -typ G-proteínov a spôsobí disociáciu jeho ai -podjednotky od βγ-diméru. Aktivovaná ai podjednotka sa viaže na adenylátcyklázu a potláča jej aktivitu. Okrem toho βγ diméry môžu viazať voľné as podjednotky. Týmto spôsobom väzba βγ-dimérov na voľnú αs-podjednotku ďalej potláča stimuláciu adenylátcyklázy, čím sa blokuje pôsobenie stimulačných ligandov.

Iná trieda extracelulárnych agonistov (obr. 2-6 A) sa viaže na receptory, ktoré aktivujú prostredníctvom G proteínu nazývaného G q β-izoformu fosfolipázy C. Štiepi fosfatidylinozitol 4,5-bisfosfát (fosfolipid prítomný v malých množstvách v plazmatickej membráne) na inozitol 1,4,5-trifosfát a diacylglycerol, ktoré sú sekundárnymi prenášačmi. IP 3, väzba na špecifické ligandovo závislé Ca 2+ kanály endoplazmatického retikula, z neho uvoľňuje Ca 2+, t.j. zvyšuje koncentráciu Ca 2+ v cytosóle. Ca2+ kanály endoplazmatického retikula sa podieľajú na elektromechanickej väzbe v kostrovom a srdcovom svale. Diacylglycerol spolu s Ca 2+ aktivuje proteínkinázu C. Medzi jeho substráty patria napríklad proteíny podieľajúce sa na regulácii bunkového delenia.

Ryža. 2-6. Príklady signálnych transdukčných dráh cez heterotrimérne G proteíny.

A - v uvedených troch príkladoch vedie väzba neurotransmitera k receptoru k aktivácii G proteínu a následnej aktivácii dráh druhého posla. Gs, Gq a Gi označujú tri rôzne typy heterotrimérnych G proteínov. B - regulácia bunkových proteínov fosforyláciou vedie k zvýšeniu alebo zníženiu ich aktivity, čo zase určuje bunkovú reakciu potrebnú pre telo. Fosforylácia proteínov sa uskutočňuje proteínkinázami a defosforylácia sa uskutočňuje proteínfosfatázami. Proteínkináza prenáša fosfátovú skupinu (Pi) z ATP na serínové, treonínové alebo tyrozínové zvyšky proteínov. Táto fosforylácia reverzibilne mení štruktúru a funkciu bunkových proteínov. Oba typy enzýmov, kinázy a fosfatázy, sú regulované rôznymi intracelulárnymi druhými poslami

Cesty aktivácie intracelulárnych proteínkináz

Interakcia heterotrimérnych G-proteínov s receptorom naviazaným na ligand vedie k premene α-podjednotky na aktívnu formu, ktorá má zvýšenú afinitu k GTP a zníženú afinitu k βγ-komplexu. Aktivácia väčšiny G proteínov vedie ku konformačnej zmene v podjednotke a, ktorá uvoľňuje GDP, viaže GTP a potom disociuje z βγ diméru. Disociovaná a-podjednotka potom interaguje s efektorovými proteínmi v signálnej transdukčnej dráhe.

Obrázok 2-7 A ukazuje aktiváciu heterotrimérnych proteínov Gs-typu G s podjednotkou αs-typu α, ku ktorej dochádza v dôsledku väzby na receptorový ligand a vedie k väzbe αs-podjednotky proteínov Gs-typu G GTP a potom disociuje z βγ-diméru a potom interaguje s adenylátcyklázy. To vedie k zvýšeniu hladín cAMP a aktivácii PKA.

Obrázok 2-7 B demonštruje aktiváciu heterotrimérnych proteínov Gt-typu G s podjednotkou α t-typu, ku ktorej dochádza v dôsledku väzby na receptorový ligand a vedie k tomu, že αt-podjednotka typu Gt G proteíny sa aktivujú a potom disociujú z βγ-diméru a potom interagujú s fosfodiesterázy. To vedie k zvýšeniu hladín cGMP a aktivácii PKG.

Katecholamínový receptor α 1 interaguje s podjednotkou G αq, ktorá aktivuje fosfolipázu C. Obrázok 2-7 B ukazuje aktiváciu heterotrimérnych G proteínov typu G αq s podjednotkou α typu α q, ku ktorej dochádza v dôsledku väzby ligandu k receptoru a vedie k tomu, že αq-podjednotka G-proteínov Gαq-typ je aktivovaná a potom disociuje z βγ-diméru a potom interaguje s fosfolipáza C.Štiepi fosfatidylinozitol 4,5-difosfát na IP 3 a DAG. To má za následok zvýšenie hladín IP 3 a DAG. IP 3, väzba na špecifické ligandovo závislé Ca2+ kanály endoplazmatického retikula,

uvoľňuje z neho Ca 2+. DAG spôsobuje aktiváciu proteínkinázy C. V nestimulovanej bunke je značné množstvo tohto enzýmu v cytosóle v neaktívnej forme. Ca 2+ spôsobuje, že sa proteínkináza C naviaže na vnútorný povrch plazmatickej membrány. Tu môže byť enzým aktivovaný diacylglycerolom, ktorý vzniká hydrolýzou fosfatidylinozitol-4,5-bisfosfátu. Membránový fosfatidylserín môže byť tiež aktivátorom proteínkinázy C, ak sa enzým nachádza v membráne.

Bolo opísaných asi 10 izoforiem proteínkinázy C, hoci niektoré z nich sú prítomné v mnohých cicavčích bunkách, subtypy γ a ε sa nachádzajú hlavne v bunkách centrálneho nervového systému. Podtypy proteínkinázy C sa líšia nielen svojou distribúciou v tele, ale zjavne aj mechanizmami regulácie ich aktivity. Niektoré z nich v nestimulovaných bunkách sú spojené s plazmatickou membránou, t.j. nevyžadujú na aktiváciu zvýšenie koncentrácie Ca 2+. Niektoré izoformy proteínkinázy C sú aktivované kyselinou arachidónovou alebo inými nenasýtenými mastnými kyselinami.

K počiatočnej prechodnej aktivácii proteínkinázy C dochádza vplyvom diacylglycerolu, ktorý sa uvoľňuje pri aktivácii fosfolipázy C β, a tiež vplyvom Ca 2+ uvoľňovaného z vnútrobunkových zásob pomocou IP 3 . Dlhotrvajúca aktivácia proteínkinázy C je spúšťaná receptorovo závislými fosfolipázami A2 a D. Pôsobia primárne na fosfatidylcholín, hlavný membránový fosfolipid. Fosfolipáza A 2 z nej oddeľuje mastnú kyselinu v druhej polohe (zvyčajne nenasýtenú) a lyzofosfatidylcholín. Oba tieto produkty aktivujú určité izoformy proteínkinázy C. Receptor-dependentná fosfolipáza D rozkladá fosfatidylcholín tak, že vzniká kyselina fosfatidová a cholín. Kyselina fosfatidová sa ďalej štiepi na diacylglycerol, ktorý sa podieľa na dlhodobej stimulácii proteínkinázy C.

Ryža. 2-7. Základné princípy aktivácie proteínkinázy A, proteínkinázy G a proteínkinázy C.

Označenia: R - receptor, L - ligand

cAMP-dependentná proteínkináza (proteínkináza A) a súvisiace signálne dráhy

V neprítomnosti cAMP sa cAMP-dependentná proteínkináza (proteínkináza A) skladá zo štyroch podjednotiek: dvoch regulačných a dvoch katalytických. Vo väčšine typov buniek je katalytická podjednotka rovnaká a regulačné podjednotky sú vysoko špecifické. Prítomnosť regulačných podjednotiek takmer úplne potláča enzymatickú aktivitu komplexu. Aktivácia cAMP-dependentnej proteínkinázovej enzymatickej aktivity teda musí zahŕňať disociáciu regulačných podjednotiek z komplexu.

K aktivácii dochádza v prítomnosti mikromolárnych koncentrácií cAMP. Každá regulačná podjednotka viaže dve zo svojich molekúl. Väzba cAMP indukuje konformačné zmeny v regulačných podjednotkách a znižuje afinitu ich interakcie s katalytickými podjednotkami. V dôsledku toho sa regulačné podjednotky oddelia od katalytických podjednotiek a katalytické podjednotky sa aktivujú. Aktívna katalytická podjednotka fosforyluje zacielené proteíny na špecifické serínové a treonínové zvyšky.

Porovnanie aminokyselinových sekvencií cAMP-dependentných a iných tried proteínkináz ukazuje, že napriek veľkým rozdielom v ich regulačných vlastnostiach sú všetky tieto enzýmy vysoko homológne v primárnej štruktúre strednej časti. Táto časť obsahuje doménu viažucu ATP a aktívne miesto enzýmu, ktoré zabezpečuje prenos fosfátu z ATP do akceptorového proteínu. Kinázové oblasti za touto katalytickou strednou časťou proteínu sa podieľajú na regulácii kinázovej aktivity.

Bola tiež stanovená kryštálová štruktúra katalytickej podjednotky cAMP-dependentnej proteínkinázy. Katalytická stredná časť molekuly, prítomná vo všetkých známych proteínkinázach, pozostáva z dvoch častí. Menšia časť obsahuje neobvyklé ATP-väzbové miesto a väčšia časť obsahuje peptidové väzbové miesto. Mnohé proteínkinázy tiež obsahujú regulačnú oblasť známu ako pseudosubstrátová doména. V sekvencii aminokyselín sa podobá fosforylovateľným oblastiam substrátových proteínov. Pseudosubstrátová doména väzbou na aktívne miesto proteínkinázy inhibuje fosforyláciu skutočných substrátov proteínkinázy. Aktivácia kinázy môže zahŕňať fosforyláciu alebo nekovalentnú alosterickú modifikáciu proteínkinázy, aby sa eliminoval inhibičný účinok pseudosubstrátovej domény.

Ryža. 2-8. cAMP-dependentná proteínkináza A a ciele.

Keď sa epinefrín naviaže na svoj zodpovedajúci receptor, aktivácia podjednotky α s stimuluje adenylátcyklázu na zvýšenie hladín cAMP. cAMP aktivuje proteínkinázu A, ktorá má prostredníctvom fosforylácie tri hlavné účinky. (1) Proteínkináza A aktivuje glykogénfosforylázovú kinázu, ktorá fosforyluje a aktivuje glykogénfosforylázu. (2) Proteínkináza A inaktivuje glykogénsyntázu a tým znižuje tvorbu glykogénu. (3) Proteínkináza A aktivuje inhibítor fosfoproteínfosfatázy-1 a tým inhibuje fosfatázu. Celkovým účinkom je koordinácia zmien hladín glukózy.

Označenia: UDP-glukóza - uridíndifosfát glukóza

Hormonálna regulácia aktivity adenylátcyklázy

Obrázok 2-9A ukazuje hlavný mechanizmus stimulácie a inhibície adenylátcyklázy vyvolanej hormónmi. Interakcia ligandu s receptorom spojeným s α podjednotkou typu α s (stimulačná) spôsobuje aktiváciu adenylátcyklázy, zatiaľ čo interakcia ligandu s receptorom spojeným s α podjednotkou typu α i (inhibičná) spôsobuje inhibíciu enzým. Podjednotka G βγ je identická v stimulačných aj inhibičných G proteínoch. Ga podjednotky a receptory sú rôzne. Ligandom stimulovaná tvorba aktívnych komplexov Ga GTP sa vyskytuje prostredníctvom rovnakých mechanizmov v proteínoch Gas aj Gai. Avšak Gas GTP a Gai GTP interagujú odlišne s adenylátcyklázou. Jeden (Gαs GTP) stimuluje a druhý Gαi GTP) inhibuje jeho katalytickú aktivitu.

Obrázok 2-9 B ukazuje mechanizmus aktivácie a inhibície adenylátcyklázy indukovanej určitými hormónmi. P1-, P2- a D1-receptory interagujú s podjednotkami, ktoré aktivujú adenylátcyklázu a zvyšujú hladiny cAMP. Receptory a2 a D2 interagujú s podjednotkami Gai, ktoré inhibujú adenylátcyklázu. (Pokiaľ ide o α1 receptor, interaguje s G podjednotkou, ktorá aktivuje fosfolipázu C.) Uvažujme jeden z príkladov uvedených na obrázku. Epinefrín sa viaže na β 1 ​​receptor, čo vedie k aktivácii G αs proteínu, ktorý stimuluje adenylátcyklázu. To vedie k zvýšeniu intracelulárnych hladín cAMP, a teda k zvýšeniu aktivity PKA. Na druhej strane sa norepinefrín viaže na α2 receptor, čo vedie k aktivácii proteínu Gai, ktorý inhibuje adenylátcyklázu a tým znižuje intracelulárnu hladinu cAMP, čím sa znižuje aktivita PKA.

Ryža. 2-9. Ligandom (hormónom) indukovaná aktivácia a inhibícia adenylátcyklázy.

A je základný mechanizmus. B - mechanizmus vo vzťahu k špecifickým hormónom

Proteínkináza C a súvisiace signálne dráhy

Receptor α 1 interaguje s podjednotkou Gaq proteínu G, ktorá aktivuje fosfolipázu C. Fosfolipáza C štiepi fosfatidylinozitol 4,5-difosfát na IP 3 a DAG. IP 3, väzba na špecifické ligandovo závislé Ca 2+ kanály endoplazmatického retikula, z neho uvoľňuje Ca 2+, t.j. zvyšuje koncentráciu Ca 2+ v cytosóle. DAG spôsobuje aktiváciu proteínkinázy C. V nestimulovanej bunke je tento enzým v cytosóle neaktívny

formulár. Ak sa hladina cytosolického Ca 2+ zvýši, Ca 2+ interaguje s proteínkinázou C, čo vedie k naviazaniu proteínkinázy C na vnútorný povrch bunkovej membrány. V tejto polohe je enzým aktivovaný diacylglycerolom vytvoreným počas hydrolýzy fosfatidylinozitol-4,5-difosfátu. Membránový fosfatidylserín môže byť tiež aktivátorom proteínkinázy C, ak sa enzým nachádza v membráne.

Tabuľka 2-3 uvádza izoformy cicavčej proteínkinázy C a vlastnosti týchto izoforiem.

Tabuľka 2-3.Vlastnosti izoforiem cicavčej proteínkinázy C

DAG - diacylglycerol; PS - fosfatidylserín; FFA - cis-nenasýtené mastné kyseliny; LPC - lyzofosfatidylcholín.

Ryža. 2-10. Signálne dráhy diacylglycerol/inozitol 1,4,5-trifosfát

Fosfolipázy a súvisiace signálne dráhy na príklade kyseliny arachidónovej

Niektoré agonisty sa aktivujú prostredníctvom G proteínov fosfolipáza A2, ktorý pôsobí na membránové fosfolipidy. Produkty ich reakcií môžu aktivovať proteínkinázu C. Najmä fosfolipáza A 2 oddeľuje mastnú kyselinu umiestnenú v druhej polohe od fosfolipidov. Vzhľadom na to, že niektoré fosfolipidy obsahujú v tejto polohe kyselinu arachidónovú spôsobenú fosfolipázou A 2, rozpadom týchto fosfolipidov sa jej uvoľňuje značné množstvo.

Vyššie opísaná signálna dráha kyseliny arachidónovej spojená s fosfolipázou A2 sa nazýva priama. Nepriama cesta aktivácie kyseliny arachidónovej je spojená s fosfolipázou Cp.

Samotná kyselina arachidónová je efektorovou molekulou a okrem toho slúži ako prekurzor pre intracelulárnu syntézu prostaglandíny, prostacyklíny, tromboxány A leukotriény- dôležité triedy regulačných molekúl. Kyselina arachidónová vzniká aj z produktov rozkladu diacylglycerolov.

Z kyseliny arachidónovej sa syntetizujú prostaglandíny, prostacyklíny a tromboxány dráha závislá od cyklooxygenázy, a leukotriény - dráha závislá od lipoxygenázy. Jedným z protizápalových účinkov glukokortikoidov je práve inhibícia fosfolipázy A 2, ktorá uvoľňuje kyselinu arachidónovú z fosfolipidov. Kyselina acetylsalicylová (aspirín ) a iné nesteroidné protizápalové lieky inhibujú oxidáciu kyseliny arachidónovej cyklooxygenázou.

Ryža. 2-11. Signálne dráhy kyseliny arachidónovej.

Označenia: PG - prostaglandín, LH - leukotrién, GPETE - hydroperoxyeikózatetraenoát, GETE - hydroxyeikózatetraenoát, EPR - endoplazmatické retikulum

Kalmodulín: štruktúra a funkcie

Množstvo životne dôležitých bunkových procesov, vrátane uvoľňovania neurotransmiterov, sekrécie hormónov a svalových kontrakcií, je regulovaných hladinami Ca2+ v cytosóle. Jedným zo spôsobov, ako tento ión ovplyvňuje bunkové procesy, je väzba na kalmodulín.

kalmodulín- proteín s molekulovou hmotnosťou 16 700 (obr. 2-12 A). Je prítomný vo všetkých bunkách, niekedy predstavuje až 1 % ich celkového obsahu bielkovín. Kalmodulín viaže štyri ióny vápnika (obr. 2-12 B a C), po ktorých tento komplex reguluje aktivitu rôznych intracelulárnych proteínov, z ktorých mnohé nie sú proteínkinázy.

Ca 2+ komplex s kalmodulínom tiež aktivuje kalmodulín-dependentné proteínkinázy. Špecifické kalmodulín-dependentné proteínkinázy fosforylujú špecifické efektorové proteíny, ako sú myozínové regulačné ľahké reťazce, fosforyláza a elongačný faktor II. Multifunkčné kalmodulín-dependentné proteínkinázy fosforylujú početné jadrové, cytoskeletálne alebo membránové proteíny. Niektoré kalmodulín-dependentné proteínkinázy, ako napr

myozínový ľahký reťazec a fosforylázová kináza pôsobia iba na jeden bunkový substrát, zatiaľ čo iné sú multifunkčné a fosforylujú viac ako jeden substrátový proteín.

Kalmodulín-dependentná proteínkináza II je hlavným proteínom nervového systému. V niektorých oblastiach mozgu tvorí až 2 % z celkového množstva bielkovín. Táto kináza sa podieľa na mechanizme, v ktorom zvýšenie koncentrácie Ca2+ v nervovom zakončení spôsobuje uvoľnenie neurotransmiteru exocytózou. Jeho hlavným substrátom je proteín tzv synapsín I, prítomné v nervových zakončeniach a viažuce sa na vonkajší povrch synaptických vezikúl. Keď je synapsín I naviazaný na vezikuly, zabraňuje exocytóze. Fosforylácia synapsínu I spôsobuje jeho oddelenie od vezikúl, čo im umožňuje uvoľňovať neurotransmiter do synaptickej štrbiny exocytózou.

Myozín kináza ľahkého reťazca hrá dôležitú úlohu pri regulácii kontrakcie hladkého svalstva. Zvýšenie koncentrácie cytosolického Ca2+ v bunkách hladkého svalstva aktivuje kinázu ľahkého reťazca myozínu. Fosforylácia regulačných ľahkých reťazcov myozínu vedie k predĺženej kontrakcii buniek hladkého svalstva.

Ryža. 2-12. kalmodulín.

A - kalmodulín bez vápnika. B - väzba vápnika na kalmodulín a peptidový cieľ. B - schéma pripojenia.

Označenia: EF - Ca 2+ -väzbové domény kalmodulínu

Receptory s vlastnou enzymatickou aktivitou (katalytické receptory)

Hormóny a rastové faktory sa viažu na proteíny bunkového povrchu, ktoré majú enzymatickú aktivitu na cytoplazmatickej strane membrány. Obrázok 2-13 ukazuje päť tried katalytických receptorov.

Jeden z typických príkladov transmembrány receptory s guanylátcyklázovou aktivitou, atriálny natriuretický peptidový (ANP) receptor. Membránový receptor, na ktorý sa ANP viaže, je nezávislý od uvažovaných systémov prenosu signálu. Vyššie bolo opísané pôsobenie extracelulárnych agonistov, ktoré väzbou na membránové receptory buď aktivujú adenylátcyklázu prostredníctvom G s proteínov, alebo ju inhibujú prostredníctvom Gi. Membránové receptory pre ANP sú zaujímavé, pretože samotné receptory majú aktivitu guanylátcyklázy, stimulovanú väzbou ANP na receptor.

ANP receptory majú extracelulárnu ANP-väzbovú doménu, jednu transmembránovú špirálu a intracelulárnu guanylátcyklázovú doménu. Väzba ANP na receptor zvyšuje intracelulárne hladiny cGMP, čo stimuluje cGMP-dependentnú proteínkinázu. Na rozdiel od cAMP-dependentnej proteínkinázy, ktorá má regulačné a katalytické podjednotky, sú regulačné a katalytické domény cGMP-dependentnej proteínkinázy umiestnené na rovnakom polypeptidovom reťazci. cGMP-dependentná kináza potom fosforyluje intracelulárne proteíny, čo vedie k rôznym bunkovým reakciám.

Receptory s aktivitou serín-treonínkinázy fosforylujú proteíny iba na serínových a/alebo treonínových zvyškoch.

Ďalšia rodina membránových receptorov spojených s non-G proteínom pozostáva z proteínov s vlastnou tyrozín-proteínkinázovou aktivitou. Receptory s vlastnou tyrozín-proteínkinázovou aktivitou sú proteíny s glykozylovanou extracelulárnou doménou, jedinou

transmembránová oblasť a intracelulárna doména s tyrozín-proteínkinázovou aktivitou. Naviazanie agonistu na ne, napr. nervový rastový faktor (NGF), stimuluje aktivitu tyrozín-proteínkinázy, ktorá fosforyluje špecifické efektorové proteíny na určitých tyrozínových zvyškoch. Väčšina receptorov rastových faktorov sa dimerizuje, keď sa na ne viaže NGF. Je to dimerizácia receptora, ktorá vedie k objaveniu sa jeho tyrozínovej proteínkinázovej aktivity. Aktivované receptory sa často fosforylujú, čo sa nazýva autofosforylácia.

Do nadrodiny peptidové receptory zahŕňajú inzulínové receptory. Sú to tiež tyrozínové proteínkinázy. V podtriede receptorov patriacich do rodiny inzulínových receptorov existuje neligandovaný receptor ako disulfidovo spojený dimér. Interakcia s inzulínom vedie ku konformačným zmenám oboch monomérov, čo zvyšuje väzbu inzulínu, aktivuje receptorovú tyrozínkinázu a vedie k zvýšenej autofosforylácii receptora.

Väzba hormónu alebo rastového faktora na jeho receptor spúšťa rôzne bunkové reakcie, vrátane vstupu Ca 2+ do cytoplazmy, zvýšeného metabolizmu Na + /H +, stimulácie vychytávania aminokyselín a cukrov, stimulácie fosfolipázy C β a hydrolýza fosfatidylinozitoldifosfátu.

Receptory rastový hormón, prolaktín A erytropoetín, rovnako ako receptory interferón a mnoho cytokíny, neslúžia priamo ako proteínkinázy. Po aktivácii však tieto receptory vytvárajú signálne komplexy s intracelulárnymi tyrozín-proteínkinázami, ktoré spúšťajú ich intracelulárne účinky. Preto nie sú skutočnými receptormi s vlastnou tyrozín-proteínkinázovou aktivitou, ale jednoducho sa na ne viažu.

Na základe štruktúry možno predpokladať, že transmembránové tyrozín proteín fosfatázy sú tiež receptory a ich tyrozín-proteínfosfatázová aktivita je modulovaná extracelulárnymi ligandami.

Ryža. 2-13. Katalytické receptory.

A - receptor guanylcyklázy, B - receptor s aktivitou serín-treonínkinázy, B - receptor s vlastnou tyrozín-proteínkinázovou aktivitou, D - receptory spojené s aktivitou tyrozín-proteínkinázy

Proteínové tyrozínkinázy spojené s receptorom na príklade interferónových receptorov

Interferónové receptory nie sú priamo proteínkinázy. Po aktivácii tvoria tieto receptory signálne komplexy s intracelulárnymi tyrozín-proteínkinázami, ktoré spúšťajú ich intracelulárne účinky. To znamená, že to nie sú skutočné receptory s vlastnou tyrozín-proteínkinázovou aktivitou, ale jednoducho sa na ne viažu, tzv. receptor-asociované (receptor-dependentné) tyrozín-proteínkinázy.

Mechanizmy, ktorými tieto receptory uplatňujú svoje účinky, sa spúšťajú, keď sa hormón naviaže na receptor, čo spôsobí jeho dimerizáciu. Receptorový dimér viaže jeden alebo viac členov Janus-rodina proteínových tyrozínkináz (JAK). JAK potom kríž

fosforylujú navzájom, ako aj receptor. Členovia rodiny signálnych prevodníkov a aktivátorov transkripcie (STAT) viažu fosforylované domény na receptor a komplex JAK. STAT proteíny sú fosforylované JAK kinázami a potom disociované zo signálneho komplexu. Fosforylované STAT proteíny nakoniec tvoria diméry, ktoré sa presúvajú do jadra, aby aktivovali transkripciu určitých génov.

Špecifickosť receptora pre každý hormón závisí čiastočne od špecifickosti členov rodiny JAK alebo STAT, ktoré sa kombinujú a vytvárajú signálny komplex. V niektorých prípadoch signálny komplex tiež aktivuje kaskádu kinázy MAP (proteín aktivujúci mitogén) prostredníctvom adaptorových proteínov používaných receptorovými tyrozínkinázami. Niektoré z reakcií ligandu receptorovej tyrozínkinázy tiež zahŕňajú dráhy JAK a STAT.

Ryža. 2-14. Príklad katalytických receptorov spojených s aktivitou proteín tyrozínkinázy. a-aktivovaný receptor -interferón (A) aγ - interferón (B)

Monomérne G proteíny podobné ras a ich sprostredkované transdukčné dráhy

Ligand, ako je rastový faktor, sa viaže na receptor, ktorý má vlastnú proteíntyrozínkinázovú aktivitu, čo vedie k zvýšenej transkripcii v 10-krokovom procese. Monomérne GTP-viažuce proteíny podobné ras sa podieľajú na dráhe prenosu signálu v štádiu prenosu signálu z receptorov s vlastnou tyrozín-proteínkinázovou aktivitou (napríklad receptory rastového faktora) k intracelulárnym efektorom. Aktivácia a inaktivácia monomérnych GTP-viažucich proteínov vyžaduje ďalšie regulačné proteíny. Monomérne G proteíny sú aktivované proteínmi uvoľňujúcimi guanínový nukleotid (GNRP) a inaktivované proteínmi aktivujúcimi GTPázu (GAP).

Monomérne GTP-viažuce proteíny z rodiny Ras sprostredkovávajú väzbu mitogénnych ligandov a ich tyrozín-proteínkinázových receptorov, čo spúšťa intracelulárne procesy vedúce k bunkovej proliferácii. Keď sú proteíny Ras neaktívne, bunky nereagujú na rastové faktory pôsobiace cez receptory tyrozínkinázy.

Aktivácia Ras spúšťa signálnu transdukčnú dráhu, ktorá nakoniec vedie k transkripcii určitých génov, ktoré podporujú rast buniek. Kaskáda MAP kinázy (MAPK) je zapojená do odpovedí po aktivácii Ras. Proteínkináza C tiež aktivuje MAP kinázovú kaskádu. Zdá sa teda, že kaskáda kinázy MAP je dôležitým bodom konvergencie pre rôzne účinky vyvolávajúce bunkovú proliferáciu. Okrem toho existuje kríženie medzi proteínkinázou C a tyrozínkinázami. Napríklad y izoforma fosfolipázy C sa aktivuje väzbou na aktivovaný proteín Ras. Táto aktivácia sa prenáša na proteínkinázu C v procese stimulácie hydrolýzy fosfolipidov.

Obrázok 2-15 zobrazuje mechanizmus, ktorý zahŕňa 10 stupňov.

1. Väzba ligandu vedie k dimerizácii receptora.

2. Aktivovaná proteín tyrozínkináza (RTK) sa sama fosforyluje.

3.GRB 2 (proteín-2 viazaný na receptor rastového faktora), proteín obsahujúci SH 2, rozpoznáva fosfotyrozínové zvyšky na aktivovanom receptore.

4. Prepojenie GRB 2 zahŕňa SOS (syn bezsedmičky) guanínový nukleotidový výmenný proteín.

5.SOS aktivuje Ras vytvorením GTP na Ras namiesto GDP.

6. Aktívny komplex Ras-GTP aktivuje iné proteíny ich fyzikálnym začlenením do plazmatickej membrány. Aktívny komplex Ras-GTP interaguje s N-koncovou časťou serín-treonínkinázy Raf-1 (známej ako mitogén aktivujúci proteín, MAP), prvou zo série aktivovaných proteínkináz, ktoré prenášajú aktivačný signál do bunky. jadro.

7.Raf-1 fosforyluje a aktivuje proteínkinázu nazývanú MEK, ktorá je známa ako MAP kináza kináza (MAPKK). MEK je multifunkčná proteínkináza, ktorá fosforyluje substráty tyrozínových a serínových/treonínových zvyškov.

8.MEK fosforyluje MAP kinázu (MAPK), ktorá je tiež spúšťaná regulačnou kinázou extracelulárneho signálu (ERK 1, ERK 2). Aktivácia MAPK vyžaduje duálnu fosforyláciu na susedných serínových a tyrozínových zvyškoch.

9. MAPK slúži ako kritická efektorová molekula pri prenose signálu závislej od Ras, pretože fosforyluje mnoho bunkových proteínov po mitogénnej stimulácii.

10. Aktivovaná MAPK je translokovaná do jadra, kde fosforyluje transkripčný faktor. Vo všeobecnosti aktivovaný Ras aktivuje MAP

spojením s ňou. Táto kaskáda vedie k fosforylácii a aktivácii MAP kinázy, ktorá následne fosforyluje transkripčné faktory, proteínové substráty a iné proteínkinázy dôležité pre bunkové delenie a iné reakcie. Aktivácia Ras závisí od väzby adaptorových proteínov na fosfotyrozínové domény na receptoroch aktivovaných rastovým faktorom. Tieto adaptorové proteíny sa viažu na a aktivujú GNRF (guanínový nukleotidový výmenný proteín), ktorý aktivuje Ras.

Ryža. 2-15. Regulácia transkripcie monomérnymi G proteínmi podobnými Ras spúšťaná receptorom s vlastnou tyrozín-proteínkinázovou aktivitou

Regulácia transkripcie pomocou cAMP-dependentného DNA elementu interagujúceho proteínu (CREB)

CREB, široko distribuovaný transkripčný faktor, je normálne spojený s oblasťou DNA nazývanou CRE (cAMP prvok odozvy). V neprítomnosti stimulácie je CREB defosforylovaný a nemá žiadny vplyv na transkripciu. Početné dráhy signálnej transdukcie prostredníctvom aktivácie kináz (ako je PKA, Ca2+/kalmodulín kináza IV, MAP kináza) vedú k fosforylácii CREB. Fosforylovaný CREB sa viaže C.B.P.(CREB-viažuci proteín- proteín viažuci CREB), ktorý má doménu stimulujúcu transkripciu. Paralelne fosforylácia aktivuje PP1

(fosfoproteín fosfatáza 1), ktorý defosforyluje CREB, čo vedie k zastaveniu transkripcie.

Ukázalo sa, že aktivácia mechanizmu sprostredkovaného CREB je dôležitá pre implementáciu vyšších kognitívnych funkcií, ako je učenie a pamäť.

Obrázok 2-15 tiež ukazuje štruktúru cAMP-dependentnej PKA, ktorá v neprítomnosti cAMP pozostáva zo štyroch podjednotiek: dvoch regulačných a dvoch katalytických. Prítomnosť regulačných podjednotiek potláča enzymatickú aktivitu komplexu. Väzba cAMP indukuje konformačné zmeny v regulačných podjednotkách, čo vedie k oddeleniu regulačných podjednotiek od katalytických podjednotiek. Katalytická PKA vstupuje do bunkového jadra a iniciuje vyššie opísaný proces.

Ryža. 2-16. Regulácia génovej transkripcie pomocou CREB (cAMP responzívny prvok viažuci proteín) prostredníctvom zvýšenia hladín cyklického adenozínmonofosfátu

Stručný opis:

Edukačný materiál z biochémie a molekulárnej biológie: Štruktúra a funkcie biologických membrán.

MODUL 4: ŠTRUKTÚRA A FUNKCIA BIOLOGICKÝCH MEMBRÁN

_Témy _

4.1. Všeobecné vlastnosti membrán. Štruktúra a zloženie membrán

4.2. Transport látok cez membrány

4.3. Transmembránová signalizácia _

Ciele vzdelávania Byť schopný:

1. Interpretovať úlohu membrán pri regulácii metabolizmu, transporte látok do bunky a odstraňovaní metabolitov.

2. Vysvetlite molekulárne mechanizmy pôsobenia hormónov a iných signálnych molekúl na cieľové orgány.

Vedieť:

1. Štruktúra biologických membrán a ich úloha v metabolizme a energii.

2. Hlavné spôsoby prenosu látok cez membrány.

3. Hlavné zložky a štádiá transmembránovej signalizácie hormónov, mediátorov, cytokínov, eikosanoidov.

TÉMA 4.1. VŠEOBECNÉ CHARAKTERISTIKY MEMBRÁN.

ŠTRUKTÚRA A ZLOŽENIE MEMBRÁN

Všetky bunky a intracelulárne organely sú obklopené membránami, ktoré zohrávajú dôležitú úlohu v ich štruktúrnej organizácii a fungovaní. Základné princípy konštrukcie všetkých membrán sú rovnaké. Plazmatická membrána, ako aj membrány endoplazmatického retikula, Golgiho aparátu, mitochondrií a jadra však majú významné štrukturálne znaky, sú jedinečné svojím zložením a povahou funkcií, ktoré vykonávajú.

Membrány:

Bunky sú oddelené od prostredia a rozdelené do kompartmentov;

Regulovať transport látok do buniek a organel a v opačnom smere;

Poskytnite špecifickosť medzibunkových kontaktov;

Vnímajú signály z vonkajšieho prostredia.

Koordinované fungovanie membránových systémov, vrátane receptorov, enzýmov a transportných systémov, pomáha udržiavať bunkovú homeostázu a rýchlo reagovať na zmeny stavu vonkajšieho prostredia reguláciou metabolizmu v bunkách.

Biologické membrány sú tvorené lipidmi a proteínmi, ktoré sú navzájom spojené nekovalentné interakcie. Základom membrány je lipidová dvojitá vrstva, ktorý zahŕňa proteínové molekuly (obr. 4.1). Lipidová dvojvrstva je tvorená dvoma radmi amfifilné molekuly, ktorých hydrofóbne „chvosty“ sú skryté vo vnútri a hydrofilné skupiny – polárne „hlavy“ – smerujú von a sú v kontakte s vodným prostredím.

1. Membránové lipidy. Membránové lipidy obsahujú nasýtené aj nenasýtené mastné kyseliny. Nenasýtené mastné kyseliny sa nachádzajú dvakrát častejšie ako nasýtené mastné kyseliny, čo určuje plynulosť membrán a konformačná labilita membránových proteínov.

Membrány obsahujú tri hlavné typy lipidov – fosfolipidy, glykolipidy a cholesterol (obr. 4.2 – 4.4). Najbežnejší glycerofosfolipidy sú deriváty kyseliny fosfatidovej.

Ryža. 4.1. Prierez plazmatickou membránou

Ryža. 4.2. Glycerofosfolipidy.

Kyselina fosfatidová je diacylglycerolfosfát. R1, R2 - radikály mastných kyselín (hydrofóbne „chvosty“). Zvyšok polynenasýtenej mastnej kyseliny je spojený s druhým atómom uhlíka glycerolu. Polárna „hlava“ je zvyšok kyseliny fosforečnej a k nemu pripojená hydrofilná skupina serínu, cholínu, etanolamínu alebo inozitolu.

Existujú aj lipidové deriváty aminoalkohol sfingozín.

Aminoalkohol sfingozín po acylácii, t.j. pridaním mastnej kyseliny do skupiny NH2 sa mení na ceramid. Ceramidy sa líšia zvyškom mastných kyselín. S OH skupinou ceramidu môžu byť spojené rôzne polárne skupiny. V závislosti od štruktúry polárnej „hlavy“ sú tieto deriváty rozdelené do dvoch skupín - fosfolipidy a glykolipidy. Štruktúra polárnej skupiny sfingofosfolipidov (sfingomyelínov) je podobná glycerofosfolipidom. Mnoho sfingomyelínov je obsiahnutých v myelínových obaloch nervových vlákien. Glykolipidy sú sacharidové deriváty ceramidu. V závislosti od štruktúry sacharidovej zložky sa rozlišujú cerebrozidy a gangliozidy.

Cholesterol nachádza sa v membránach všetkých živočíšnych buniek, dodáva membránam tuhosť a znižuje ich plynulosť(tekutosť). Molekula cholesterolu sa nachádza v hydrofóbnej zóne membrány paralelne s hydrofóbnymi „chvosty“ fosfo- a glykolipidových molekúl. Hydroxylová skupina cholesterolu, podobne ako hydrofilné „hlavy“ fosfo- a glykolipidov,

Ryža. 4.3. Deriváty aminoalkoholu sfingozínu.

Ceramid je acylovaný sfingozín (R1 je radikál mastnej kyseliny). Fosfolipidy zahŕňajú sfingomyelíny, v ktorých polárna skupina pozostáva zo zvyšku kyseliny fosforečnej a cholínu, etanolamínu alebo serínu. Hydrofilná skupina (polárna „hlava“) glykolipidov je sacharidový zvyšok. Cerebrozidy obsahujú mono alebo oligosacharidový zvyšok lineárnej štruktúry. Zloženie gangliozidov zahŕňa rozvetvený oligosacharid, ktorého jednou z monomérnych jednotiek je NANK - kyselina N-acetylneuramínová

smerom k vodnej fáze. Molárny pomer cholesterolu a iných lipidov v membránach je 0,3-0,9. Táto hodnota má najvyššiu hodnotu pre cytoplazmatickú membránu.

Zvýšenie obsahu cholesterolu v membránach znižuje pohyblivosť reťazcov mastných kyselín, čo ovplyvňuje konformačnú labilitu membránových proteínov a znižuje možnosť ich laterálna difúzia. So zvýšením tekutosti membrán, spôsobeným pôsobením lipofilných látok na ne alebo peroxidáciou lipidov, sa zvyšuje podiel cholesterolu v membránach.

Ryža. 4.4. Poloha fosfolipidov a cholesterolu v membráne.

Molekula cholesterolu pozostáva z tuhého hydrofóbneho jadra a pružného uhľovodíkového reťazca. Polárna „hlava“ je OH skupina na 3. atóme uhlíka molekuly cholesterolu. Na porovnanie, obrázok ukazuje schematické znázornenie membránového fosfolipidu. Polárna hlava týchto molekúl je oveľa väčšia a má náboj

Lipidové zloženie membrán je rôzne, obsah jedného alebo druhého lipidu je zjavne určený rôznymi funkciami, ktoré tieto molekuly v membránach vykonávajú.

Hlavnými funkciami membránových lipidov sú:

Vytvára sa lipidová dvojvrstva - štrukturálny základ membrán;

Poskytovať prostredie potrebné na fungovanie membránových proteínov;

Podieľať sa na regulácii aktivity enzýmov;

Slúži ako „kotva“ pre povrchové proteíny;

Podieľajte sa na prenose hormonálnych signálov.

Zmeny v štruktúre lipidovej dvojvrstvy môžu viesť k narušeniu membránových funkcií.

2. Membránové proteíny. Membránové proteíny sa líšia svojou polohou v membráne (obr. 4.5). Membránové proteíny v kontakte s hydrofóbnou oblasťou lipidovej dvojvrstvy musia byť amfifilné, t.j. majú nepolárnu doménu. Amfifilita sa dosahuje vďaka tomu, že:

Aminokyselinové zvyšky v kontakte s lipidovou dvojvrstvou sú všeobecne nepolárne;

Mnohé membránové proteíny sú kovalentne spojené so zvyškami mastných kyselín (acylované).

Acylové zvyšky mastných kyselín naviazané na proteín zaisťujú jeho „ukotvenie“ v membráne a možnosť laterálnej difúzie. Okrem toho membránové proteíny podliehajú posttranslačným modifikáciám, ako je glykozylácia a fosforylácia. Glykozylácia vonkajšieho povrchu integrálnych proteínov ich chráni pred poškodením proteázami v medzibunkovom priestore.

Ryža. 4.5. Membránové proteíny:

1, 2 - integrálne (transmembránové) proteíny; 3, 4, 5, 6 - povrchové proteíny. V integrálnych proteínoch je časť polypeptidového reťazca ponorená do lipidovej vrstvy. Tie časti proteínu, ktoré interagujú s uhľovodíkovými reťazcami mastných kyselín, obsahujú prevažne nepolárne aminokyseliny. Proteínové oblasti nachádzajúce sa v oblasti polárnych „hlavičiek“ sú obohatené o hydrofilné aminokyselinové zvyšky. Povrchové proteíny sú pripojené k membráne rôznymi spôsobmi: 3 - spojené s integrálnymi proteínmi; 4 - pripojené k polárnym „hlavám“ lipidovej vrstvy; 5 - „ukotvené“ v membráne pomocou krátkej hydrofóbnej koncovej domény; 6 - „ukotvené“ v membráne pomocou kovalentne viazaného acylového zvyšku

Vonkajšie a vnútorné vrstvy tej istej membrány sa líšia zložením lipidov a bielkovín. Táto vlastnosť v štruktúre membrán je tzv transmembránová asymetria.

Membránové proteíny sa môžu podieľať na:

Selektívny transport látok do bunky az bunky;

Prenos hormonálnych signálov;

Tvorba „ohraničených jamiek“ zapojených do endocytózy a exocytózy;

Imunologické reakcie;

Kvalita enzýmov pri premene látok;

Organizácia medzibunkových kontaktov, ktoré zabezpečujú tvorbu tkanív a orgánov.

TÉMA 4.2. PREPRAVA LÁTOK CEZ MEMBRÁNY

Jednou z hlavných funkcií membrán je regulácia prenosu látok do bunky a z bunky, zadržiavanie látok, ktoré bunka potrebuje a odstraňovanie nepotrebných. Transport iónov a organických molekúl cez membrány môže prebiehať pozdĺž koncentračného gradientu - pasívna doprava a proti koncentračnému gradientu - aktívny transport.

1. Pasívna doprava možno vykonať nasledujúcimi spôsobmi (obr. 4.6, 4.7):

Ryža. 4.6. Mechanizmy prenosu látky cez membrány pozdĺž koncentračného gradientu

Pasívna doprava zahŕňa difúzia iónov cez proteínové kanály, napríklad difúzia H+, Ca2+, N+, K+. Fungovanie väčšiny kanálov je regulované špecifickými ligandami alebo zmenami transmembránového potenciálu.

Ryža. 4.7. Ca2+ kanál membrány endoplazmatického retikula, regulovaný inozitol 1,4,5-trifosfátom (IF 3).

IP 3 (inozitol-1,4,5-trifosfát) vzniká pri hydrolýze membránového lipidu IF 2 (fosfatidylinozitol-4,5-bisfosfát) pôsobením enzýmu fosfolipázy C. IP 3 sa viaže na špecifické centrá protoméry Ca2+ kanála membrány endoplazmatického retikula. Konformácia proteínu sa mení a kanál sa otvára - Ca2+ vstupuje do bunkového cytosólu pozdĺž koncentračného gradientu

2. Aktívna doprava. Primárne aktívne transport prebieha proti koncentračnému gradientu s výdajom energie ATP za účasti transportných ATPáz, napríklad Na+, K+-ATPázy, H+-ATPázy, Ca2+-ATPázy (obr. 4.8). H + -ATPázy fungujú ako protónové pumpy, pomocou ktorých sa v bunkových lyzozómoch vytvára kyslé prostredie. Pomocou Ca 2+ -ATPázy cytoplazmatickej membrány a membrány endoplazmatického retikula sa v bunkovom cytosóle udržiava nízka koncentrácia vápnika a v mitochondriách a endoplazmatickom retikule vzniká intracelulárny Ca 2+ depot.

Sekundárne aktívne transport nastáva v dôsledku koncentračného gradientu jednej z transportovaných látok (obr. 4.9), ktorý najčastejšie vytvára Na+, K+-ATPáza, ktorá funguje so spotrebou ATP.

Pridanie látky, ktorej koncentrácia je vyššia k aktívnemu centru nosného proteínu, mení jeho konformáciu a zvyšuje afinitu k zlúčenine, ktorá prechádza do bunky proti koncentračnému gradientu. Sekundárny aktívny transport je dvoch typov: aktívny import A antiport.

Ryža. 4.8. Mechanizmus fungovania Ca 2 + ATPázy

Ryža. 4.9. Sekundárny aktívny transport

3. Prenos makromolekúl a častíc za účasti membrán - endocytóza a exocytóza.

Prenos makromolekúl, ako sú proteíny, nukleové kyseliny, polysacharidy alebo aj väčšie častice, z extracelulárneho prostredia do bunky prebieha endocytóza. K väzbe látok alebo vysokomolekulových komplexov dochádza v určitých oblastiach plazmatickej membrány, ktoré sú tzv ohraničený jamami. Endocytóza, ktorá sa vyskytuje za účasti receptorov zabudovaných v ohraničených jamkách, umožňuje bunkám absorbovať špecifické látky a je tzv. receptor-dependentná endocytóza.

Makromolekuly, ako sú peptidové hormóny, tráviace enzýmy, proteíny extracelulárnej matrice, lipoproteínové komplexy, sa vylučujú do krvi alebo medzibunkového priestoru exocytóza. Tento spôsob transportu umožňuje, aby sa z bunky odstránili látky, ktoré sa hromadia v sekrečných granulách. Vo väčšine prípadov je exocytóza regulovaná zmenou koncentrácie iónov vápnika v cytoplazme buniek.

TÉMA 4.3. TRANSMEMBRÁNOVÝ PRENOS SIGNÁLU

Dôležitou vlastnosťou membrán je schopnosť vnímať a prenášať signály z okolia do bunky. Bunky vnímajú vonkajšie signály, keď interagujú s receptormi umiestnenými v membráne cieľových buniek. Receptory pripojením signálnej molekuly aktivujú intracelulárne dráhy prenosu informácií, čo vedie k zmenám rýchlosti rôznych metabolických procesov.

1. signálna molekula,špecificky interagujúce s membránovým receptorom sa nazývajú primárny posol. Ako primárni poslovia pôsobia rôzne chemické zlúčeniny – hormóny, neurotransmitery, eikosanoidy, rastové faktory alebo fyzikálne faktory, ako napríklad svetelné kvantá. Receptory bunkovej membrány, aktivované primárnymi poslami, prenášajú prijaté informácie do systému proteínov a enzýmov, ktoré sa tvoria kaskáda prenosu signálu, poskytuje niekoľko stonásobné zosilnenie signálu. Čas odozvy buniek, ktorý pozostáva z aktivácie alebo inaktivácie metabolických procesov, svalovej kontrakcie a transportu látok z cieľových buniek, môže byť niekoľko minút.

Membrána receptory sa delia na:

Receptory obsahujúce primárnu podjednotku viažucu posla a iónový kanál;

Receptory schopné vykazovať katalytickú aktivitu;

Receptory, ktoré pomocou G-proteínov aktivujú tvorbu sekundárnych (intracelulárnych) poslov, ktoré prenášajú signál špecifickým proteínom a enzýmom cytosolu (obr. 4.10).

Sekundárne poslovia majú malú molekulovú hmotnosť, difundujú vysokou rýchlosťou v cytosóle bunky, menia aktivitu zodpovedajúcich proteínov a potom sa rýchlo odštiepia alebo odstránia z cytosólu.

Ryža. 4.10. Receptory lokalizované v membráne.

Membránové receptory možno rozdeliť do troch skupín. Receptory: 1 - obsahujúce podjednotku, ktorá spája signálnu molekulu a iónový kanál, napríklad acetylcholínový receptor na postsynaptickej membráne; 2 - vykazujúci katalytickú aktivitu po pripojení signálnej molekuly, napríklad inzulínového receptora; 3, 4 - prenos signálu do enzýmu adenylátcyklázy (AC) alebo fosfolipázy C (PLC) za účasti membránových G-proteínov, napríklad rôznych typov receptorov pre adrenalín, acetylcholín a iné signálne molekuly

Role sekundárnych poslov molekuly a ióny vykonávajú:

CAMP (cyklický adenozín-3",5"-monofosfát);

CGMP (cyklický guanozín-3",5"-monofosfát);

IP 3 (inozitol 1,4,5-trifosfát);

DAG (diacylglycerol);

Existujú hormóny (steroidné a štítna žľaza), ktoré pri prechode cez lipidovú dvojvrstvu preniknúť do bunky a interagovať s intracelulárne receptory. Fyziologicky dôležitý rozdiel medzi membránovými a intracelulárnymi receptormi je rýchlosť odozvy na prichádzajúci signál. V prvom prípade bude účinok rýchly a krátkodobý, v druhom - pomalý, ale dlhotrvajúci.

receptory spojené s G proteínom

Interakcia hormónov s receptormi spojenými s G-proteínom vedie k aktivácii systému prenosu signálu inozitolfosfátu alebo zmenám v aktivite regulačného systému adenylátcyklázy.

2. Systém adenylátcyklázy zahŕňa (obr. 4.11):

- integrálne proteíny cytoplazmatickej membrány:

R s - receptor primárneho posla - aktivátor systému adenylátcyklázy (ACS);

R; - primárny messenger receptor - ACS inhibítor;

Enzým adenylátcykláza (AC).

- "ukotvený" bielkoviny:

Gs je proteín viažuci sa na GTP pozostávajúci z podjednotiek a, βγ, v ktorých (a, podjednotka je spojená s molekulou GDP;

Ryža. 4.11. Fungovanie systému adenylátcyklázy

G; - GTP-viažuci proteín, pozostávajúci z αβγ-podjednotiek, v ktorých a; -podjednotka je spojená s molekulou GDP; - cytosolický enzým proteínkináza A (PKA).

Sekvencia udalostí primárnej mediátorovej signalizácie pomocou systému adenylátcyklázy

Receptor má väzbové miesta pre primárneho posla na vonkajšom povrchu membrány a G proteín (α,βγ-GDP) na vnútornom povrchu membrány. Interakcia aktivátora systému adenylátcyklázy, napríklad hormónu, s receptorom (Rs) vedie k zmene konformácie receptora. Zvyšuje sa afinita receptora ku G. proteínu. Pripojenie komplexu hormón-receptor na GS-GDP znižuje afinitu α,-podjednotky proteínu G.. k GDP a zvyšuje afinitu k GTP. V aktívnom strede α,-podjednotky je GDP nahradený GTP. To spôsobí zmenu konformácie α podjednotky a zníženie jej afinity k βγ podjednotkám. Oddelená podjednotka α,-GTP sa pohybuje laterálne v lipidovej vrstve membrány smerom k enzýmu adenylátcyklázy.

Interakcia α,-GTP s regulačným centrom adenylátcyklázy mení konformáciu enzýmu, vedie k jeho aktivácii a zvýšeniu rýchlosti tvorby sekundárneho posla - cyklického adenozín-3,5"-monofosfátu (cAMP) od ATP. Koncentrácia cAMP v bunke sa zvyšuje. Molekuly cAMP sa môžu reverzibilne viazať na regulačné podjednotky proteínkinázy A (PKA), ktorá pozostáva z dvoch regulačných (R) a dvoch katalytických (C) podjednotiek - (R 2 C 2). Komplex R2C2 nemá enzymatickú aktivitu. Pripojenie cAMP k regulačným podjednotkám spôsobuje zmenu ich konformácie a stratu komplementarity s C-podjednotkami. Katalytické podjednotky získavajú enzymatickú aktivitu.

Aktívna proteínkináza A fosforyluje špecifické proteíny na serínových a treonínových zvyškoch pomocou ATP. Fosforylácia proteínov a enzýmov zvyšuje alebo znižuje ich aktivitu, čím sa mení rýchlosť metabolických procesov, na ktorých sa zúčastňujú.

Aktivácia signálnej molekuly R receptora stimuluje fungovanie Gj proteínu, ktoré prebieha podľa rovnakých pravidiel ako pri G proteíne. Ale keď ai-GTP podjednotka interaguje s adenylátcyklázou, aktivita enzýmu klesá.

Inaktivácia adenylátcyklázy a proteínkinázy A

α,-podjednotka v komplexe s GTP, keď interaguje s adenylátcyklázou, začína vykazovať enzymatickú (GTP-fosfatázovú) aktivitu, hydrolyzuje GTP; Výsledná molekula GDP zostáva v aktívnom centre α-podjednotky, mení svoju konformáciu a znižuje svoju afinitu k AC. Komplex AC a α,-GDP disociuje, α,-GDP je súčasťou proteínu G... Separácia α,-GDP od adenylátcyklázy inaktivuje enzým a syntéza cAMP sa zastaví.

Fosfodiesteráza- „ukotvený“ enzým cytoplazmatickej membrány hydrolyzuje predtým vytvorené molekuly cAMP na AMP. Pokles koncentrácie cAMP v bunke spôsobuje štiepenie komplexu cAMP 4K"2 a zvyšuje afinitu R- a C-podjednotiek a vzniká neaktívna forma PKA.

Fosforylované enzýmy a proteíny pod vplyvom fosfoproteínfosfatázy prechádzajú do defosforylovanej formy, mení sa ich konformácia, aktivita a rýchlosť procesov, na ktorých sa tieto enzýmy zúčastňujú. Výsledkom je, že systém sa vráti do pôvodného stavu a je pripravený na opätovnú aktiváciu, keď hormón interaguje s receptorom. Tým je zabezpečené, že obsah hormónu v krvi zodpovedá intenzite odpovede cieľových buniek.

3. Účasť adenylátcyklázového systému na regulácii génovej expresie. Mnohé proteínové hormóny: glukagón, vazopresín, parathormón atď., ktoré prenášajú svoj signál cez systém adenylátcyklázy, môžu nielen spôsobiť zmenu rýchlosti reakcií fosforyláciou enzýmov už prítomných v bunke, ale aj zvýšiť alebo znížiť ich počet. reguláciu génovej expresie (obr. 4.12). Aktívna proteínkináza A môže vstúpiť do jadra a fosforylovať transkripčný faktor (CREB). Spojenie fosforu

Ryža. 4.12. Adenylátcyklázová dráha vedúca k expresii špecifických génov

Zvyšuje afinitu transkripčného faktora (CREB-(P) k špecifickej sekvencii regulačnej zóny DNA-CRE (cAMP-response element) a stimuluje expresiu génov pre určité proteíny.

Syntetizovanými proteínmi môžu byť enzýmy, ktorých zvýšený počet zvyšuje rýchlosť reakcií metabolických procesov, alebo membránové transportéry, ktoré zabezpečujú vstup alebo výstup určitých iónov, vody alebo iných látok z bunky.

Ryža. 4.13. Inozitol fosfátový systém

Činnosť systému zabezpečujú proteíny: kalmodulín, enzým proteín kináza C, Ca 2 + -kalmodulín-dependentné proteín kinázy, Ca 2 + - regulované kanály membrány endoplazmatického retikula, Ca 2 + -ATPázy bunkových a mitochondriálnych membrán .

Sekvencia udalostí primárnej mediátorovej signalizácie prostredníctvom inozitolfosfátového systému

Väzba aktivátora inozitolfosfátového systému na receptor (R) vedie k zmene jeho konformácie. Zvyšuje sa afinita receptora pre proteín GF lc. Pripojenie primárneho komplexu messenger-receptor na Gf ​​ls-GDP znižuje afinitu af l-podjednotky k GDP a zvyšuje afinitu k GTP. V aktívnom strede podjednotky aphl je GDP nahradený GTP. To spôsobuje zmenu v konformácii podjednotky afls a zníženie afinity k podjednotkám βγ a dochádza k disociácii proteínu Gfls. Oddelená aph ls-GTP podjednotka sa pohybuje laterálne pozdĺž membrány k enzýmu fosfolipáza C.

Interakcia aphls-GTP s väzbovým centrom fosfolipázy C mení konformáciu a aktivitu enzýmu a zvyšuje sa rýchlosť hydrolýzy fosfolipidu bunkovej membrány – fosfatidylinozitol-4,5-bisfosfátu (FIF 2) (obr. 4.14). ).

Ryža. 4.14. Hydrolýza fosfatidylinozitol 4,5-bisfosfátu (PIF 2)

Pri reakcii vznikajú dva produkty - sekundárni poslovia hormonálneho signálu (druhí poslovia): diacylglycerol, ktorý zostáva v membráne a podieľa sa na aktivácii enzýmu proteínkinázy C, a inozitol-1,4,5-trifosfát (IP 3), ktorý ako hydrofilná zlúčenina prechádza do cytosólu. Signál prijatý bunkovým receptorom je teda rozvetvený. IP 3 sa viaže na špecifické centrá Ca2+ kanála membrány endoplazmatického retikula (E), čo vedie k zmene konformácie proteínu a otvoreniu Ca2+ kanála. Pretože koncentrácia vápnika v ER je približne o 3-4 rády vyššia ako v cytosóle, po otvorení kanála vstupuje Ca2+ do cytosólu pozdĺž koncentračného gradientu. V neprítomnosti IP 3 v cytosóle je kanál uzavretý.

Cytosol všetkých buniek obsahuje malý proteín kalmodulín, ktorý má štyri väzbové miesta Ca2+. So zvyšujúcou sa koncentráciou

vápnik, aktívne sa viaže na kalmodulín a vytvára komplex 4Ca 2+ -kalmodulínu. Tento komplex interaguje s Ca 2+ -kalmodulín-dependentnými proteínkinázami a inými enzýmami a zvyšuje ich aktivitu. Aktivovaná Ca2+ -kalmodulín-dependentná proteínkináza fosforyluje určité proteíny a enzýmy, čo vedie k zmenám v ich aktivite a rýchlosti metabolických procesov, na ktorých sa zúčastňujú.

Zvýšenie koncentrácie Ca2+ v bunkovom cytosóle zvyšuje rýchlosť interakcie Ca2+ s inaktívnym cytozolovým enzýmom proteínkináza C (PKC). Väzba PKC na ióny vápnika stimuluje pohyb proteínu na plazmatickú membránu a umožňuje enzýmu interagovať s negatívne nabitými „hlavičkami“ molekúl fosfatidylserínu (PS) v membráne. Diacylglycerol, ktorý obsadzuje špecifické miesta v proteínkináze C, ďalej zvyšuje jeho afinitu k iónom vápnika. Na vnútornej strane membrány sa tvorí aktívna forma PKS (PKS? Ca 2 + ? PS? DAG), ktorá fosforyluje špecifické enzýmy.

Aktivácia IF systému netrvá dlho a po reakcii bunky na podnet dochádza k inaktivácii enzýmov závislých od fosfolipázy C, proteínkinázy C a Ca 2 + kalmodulínu. af ls -Podjednotka v komplexe s GTP a fosfolipázou C vykazuje enzymatickú (GTP-fosfatázovú) aktivitu, hydrolyzuje GTP; Apl-podjednotka naviazaná na GDP stráca svoju afinitu k fosfolipáze C a vracia sa do pôvodného neaktívneho stavu, t.j. je obsiahnutý v komplexe αβγ-GDP (Gf lc-proteín).

Oddelenie apls-GDP od fosfolipázy C inaktivuje enzým a hydrolýza PIF2 sa zastaví. Zvýšenie koncentrácie Ca 2+ v cytosóle aktivuje prácu Ca 2+ -ATPáz endoplazmatického retikula, cytoplazmatickej membrány, ktoré „odčerpávajú“ Ca 2+ z cytosólu bunky. Na tomto procese sa podieľajú aj nosiče Na+/Ca 2+ a H+/Ca 2+, fungujúce na princípe aktívneho antiportu. Pokles koncentrácie Ca 2+ vedie k disociácii a inaktivácii enzýmov závislých od Ca 2+ -kalmodulínu, ako aj k strate afinity proteínkinázy C k membránovým lipidom a zníženiu jej aktivity.

IP 3 a DAG, vytvorené ako výsledok aktivácie systému, môžu opäť vzájomne interagovať a premeniť sa na fosfatidylinozitol 4,5-bisfosfát.

Fosforylované enzýmy a proteíny sa pôsobením fosfoproteínfosfatázy transformujú do defosforylovanej formy, mení sa ich konformácia a aktivita.

5. Katalytické receptory. Katalytické receptory sú enzýmy. Aktivátormi týchto enzýmov môžu byť hormóny, rastové faktory a cytokíny. V aktívnej forme enzýmové receptory fosforylujú špecifické proteíny na -OH skupinách tyrozínu, preto sa nazývajú tyrozín proteínkinázy (obr. 4.15). Za účasti špeciálnych mechanizmov môže byť signál prijatý katalytickým receptorom prenesený do jadra, kde stimuluje alebo potláča expresiu určitých génov.

Ryža. 4.15. Aktivácia inzulínového receptora.

Fosfoproteínfosfatáza defosforyluje špecifické fosfoproteíny.

Fosfodiesteráza premieňa cAMP na AMP a cGMP na GMP.

GLUT 4 - transportéry glukózy v tkanivách závislých od inzulínu.

Tyrozín proteín fosfatáza defosforyluje receptorové β podjednotky

inzulín

Príkladom katalytického receptora je inzulínový receptor ktorý zahŕňa dve a- a dve beta-podjednotky. α-podjednotky sa nachádzajú na vonkajšom povrchu bunkovej membrány, β-podjednotky prenikajú cez membránovú dvojvrstvu. Miesto viazania inzulínu je tvorené N-terminálnymi doménami a podjednotiek. Katalytické centrum receptora sa nachádza na intracelulárnych doménach p-podjednotiek. Cytosolická časť receptora má niekoľko tyrozínových zvyškov, ktoré môžu byť fosforylované a defosforylované.

Pripojenie inzulínu k väzbovému centru tvorenému α-podjednotkami spôsobuje kooperatívne konformačné zmeny v receptore. β-Podjednotky vykazujú tyrozínkinázovú aktivitu a katalyzujú transautofosforyláciu (prvá β-podjednotka fosforyluje druhú β-podjednotku a naopak) na niekoľkých tyrozínových zvyškoch. Fosforylácia vedie k zmenám v náboji, konformácii a substrátovej špecifickosti enzýmu (Tyr-PK). Tyrozín-PK fosforyluje určité bunkové proteíny, ktoré sa nazývajú substráty inzulínových receptorov. Na druhej strane sa tieto proteíny podieľajú na aktivácii kaskády fosforylačných reakcií:

fosfoproteínfosfatázy(PPF), ktorý defosforyluje špecifické fosfoproteíny;

fosfodiesteráza, ktorý konvertuje cAMP na AMP a cGMP na GMP;

GLUT 4- transportéry glukózy v tkanivách závislých od inzulínu, preto sa zvyšuje prísun glukózy do svalových buniek a tukového tkaniva;

tyrozín proteín fosfatáza, ktorý defosforyluje p-podjednotky inzulínového receptora;

jadrové regulačné proteíny, transkripčné faktory, zvýšenie alebo zníženie expresie génov určitých enzýmov.

Implementácia efektu rastové faktory sa môže uskutočniť pomocou katalytických receptorov, ktoré pozostávajú z jediného polypeptidového reťazca, ale po naviazaní primárneho posla tvoria diméry. Všetky receptory tohto typu majú extracelulárnu glykozylovanú doménu, transmembránovú (a-helix) a cytoplazmatickú doménu, ktoré sú schopné vykazovať aktivitu proteínkinázy, keď sú aktivované.

Dimerizácia podporuje aktiváciu ich katalytických intracelulárnych domén, ktoré vykonávajú transautofosforyláciu na aminokyselinových zvyškoch serínu, treonínu alebo tyrozínu. Naviazanie fosforových zvyškov vedie k vytvoreniu väzbových centier pre špecifické cytosolové proteíny na receptore a aktivácii proteínkinázovej signálnej transdukčnej kaskády (obr. 4.16).

Postupnosť dejov prenosu signálu primárnych poslov (rastových faktorov) za účasti proteínov Ras a Raf.

Väzba receptora (R) na rastový faktor (GF) vedie k jeho dimerizácii a transautofosforylácii. Fosforylovaný receptor získava afinitu k proteínu Grb2. Vzniknutý komplex FR*R*Grb2 interaguje s cytosolickým proteínom SOS. Zmena konformácie SOS

zabezpečuje jeho interakciu s ukotveným membránovým proteínom Ras-GDP. Tvorba komplexu FR?R?Ggb2?SOS?Ras-GDP znižuje afinitu proteínu Ras k GDP a zvyšuje afinitu k GTP.

Nahradenie GDP GTP mení konformáciu proteínu Ras, ktorý sa oddeľuje od komplexu a interaguje s proteínom Raf v oblasti blízkej membrány. Komplex Ras-GTPyRaf vykazuje aktivitu proteínkinázy a fosforyluje enzým kinázy MEK. Aktivovaná MEK kináza zase fosforyluje MAP kinázu na treoníne a tyrozíne.

Obr.4.16. MAP kinázová kaskáda.

Receptory tohto typu sa nachádzajú v epidermálnom rastovom faktore (EGF), nervovom rastovom faktore (NGF) a iných rastových faktoroch.

Grb2 je proteín, ktorý interaguje s receptorom rastového faktora (proteín viažuci rastový receptor); SOS (GEF) - výmenný faktor GDP-GTP (výmenný faktor guanínového nukleotidu); Ras - G proteín (guanidíntrifosfatáza); Raf kináza - v aktívnej forme - fosforyluje MEK kinázu; MEK kináza - MAP kináza kináza; MAP kináza - mitogénom aktivovaná proteínkináza

Pridanie -P032- skupiny k aminokyselinovým radikálom MAP kinázy mení jej náboj, konformáciu a aktivitu. Enzým fosforyluje špecifické proteíny membrán, cytosolu a jadra na seríne a treoníne.

Zmeny v aktivite týchto proteínov ovplyvňujú rýchlosť metabolických procesov, fungovanie membránových translokáz a mitotickú aktivitu cieľových buniek.

Receptory s aktivita guanylátcyklázy patria tiež ku katalytickým receptorom. Guanylátcykláza katalyzuje vznik cGMP z GTP, ktorý je jedným z dôležitých poslov (mediátorov) prenosu intracelulárneho signálu (obr. 4.17).

Ryža. 4.17. Regulácia aktivity membránovej guanylátcyklázy.

Guanylátcykláza (GC) viazaná na membránu je transmembránový glykoproteín. Väzbové centrum signálnej molekuly sa nachádza na extracelulárnej doméne guanylátcyklázy, ktorá vykazuje katalytickú aktivitu ako výsledok aktivácie

Väzba primárneho posla na receptor aktivuje guanylátcyklázu, ktorá katalyzuje premenu GTP na cyklický guanozín-3,5"-monofosfát (cGMP), sekundárneho posla. Koncentrácia cGMP v bunke sa zvyšuje. Molekuly cGMP sa môžu reverzibilne viazať na regulačné centrá proteínkinázy G (PKG5), ktorá pozostáva z dvoch podjednotiek. Štyri molekuly cGMP menia konformáciu a aktivitu enzýmu. Aktívna proteínkináza G katalyzuje fosforyláciu určitých proteínov a enzýmov v bunkovom cytosóle. Jedným z primárnych poslov proteínkinázy G je atriálny natriuretický faktor (ANF), ktorý reguluje homeostázu tekutín v tele.

6. Prenos signálu pomocou intracelulárnych receptorov. Hormóny, ktoré sú chemicky hydrofóbne (steroidné hormóny a tyroxín) môžu difundovať cez membrány, takže ich receptory sa nachádzajú v cytosóle alebo v jadre bunky.

Cytosolické receptory sú spojené s chaperónovým proteínom, ktorý zabraňuje predčasnej aktivácii receptora. Jadrové a cytosolické receptory steroidných a tyreoidálnych hormónov obsahujú DNA-väzbovú doménu, ktorá zabezpečuje interakciu komplexu hormón-receptor s regulačnými oblasťami DNA v jadre a zmeny v rýchlosti transkripcie.

Postupnosť udalostí vedúcich k zmenám v rýchlosti transkripcie

Hormón prechádza cez lipidovú dvojvrstvu bunkovej membrány. V cytosóle alebo jadre hormón interaguje s receptorom. Komplex hormón-receptor prechádza do jadra a pripája sa k regulačnej nukleotidovej sekvencii DNA - zosilňovač(obr. 4.18) príp Tlmič. Prístupnosť promótora k RNA polymeráze sa zvyšuje pri interakcii so zosilňovačom alebo klesá pri interakcii s tlmičom. V súlade s tým sa rýchlosť transkripcie určitých štruktúrnych génov zvyšuje alebo znižuje. Zrelé mRNA opúšťajú jadro. Rýchlosť translácie určitých proteínov sa zvyšuje alebo znižuje. Mení sa množstvo bielkovín, ktoré ovplyvňujú metabolizmus a funkčný stav bunky.

V každej bunke sú receptory zahrnuté v rôznych systémoch prenosu signálu, ktoré premieňajú všetky vonkajšie signály na vnútrobunkové. Počet receptorov pre konkrétneho primárneho posla sa môže meniť od 500 do viac ako 100 000 na bunku. Sú umiestnené na membráne vzdialenej od seba alebo sústredené v určitých jej oblastiach.

Ryža. 4.18. Prenos signálu na intracelulárne receptory

b) z tabuľky vyberte lipidy, ktoré sa podieľajú na:

1. Aktivácia proteínkinázy C

2. Reakcie tvorby DAG pod vplyvom fosfolipázy C

3. Tvorba myelínových obalov nervových vlákien

c) napíšte hydrolytickú reakciu lipidu, ktorý ste si vybrali v odseku 2;

d) uveďte, ktorý z produktov hydrolýzy sa podieľa na regulácii Ca2+ kanála endoplazmatického retikula.

2. Vyberte správne odpovede.

Konformačná labilita nosných proteínov môže byť ovplyvnená:

B. Zmena elektrického potenciálu cez membránu

B. Naviazanie špecifických molekúl D. Zloženie mastných kyselín dvojvrstvových lipidov E. Množstvo prenesenej látky

3. Zápas:

A. Vápnikový kanál ER B. Ca2+-ATPáza

D. Ka+-závislý Ca2+ transportér D. N+, K+-ATPáza

1. Transportuje Na+ pozdĺž koncentračného gradientu

2. Funguje mechanizmom facilitovanej difúzie

3. Transportuje Na+ proti koncentračnému gradientu

4. Posuňte stôl. 4.2. do zošita a vyplňte ho.

Tabuľka 4.2. Systémy adenylátcyklázy a inozitolfosfátu

Štruktúra a fázy prevádzky	Systém adenylátcyklázy	Inozitol fosfátový systém
Príklad primárneho posla systému
Integrálny proteín bunkovej membrány, ktorý komplementárne interaguje s primárnym poslom
Proteín, ktorý aktivuje enzýmový signalizačný systém
Enzýmový systém tvoriaci druhého posla(ov)
Systémy sekundárnych poslov
Cytosolický enzým(y) systému interagujúci s druhým poslom
Mechanizmus regulácie (v tomto systéme) aktivity enzýmov v metabolických dráhach
Mechanizmy na zníženie koncentrácie druhých poslov v cieľovej bunke
Dôvod poklesu aktivity membránového enzýmu signalizačného systému

SEBAOVLÁDACIE ÚLOHY

1. Zápas:

A. Pasívny symport B. Pasívny antiport

B. Endocytóza D. Exocytóza

D. Primárny aktívny transport

1. Transport látky do bunky prebieha spolu s časťou plazmatickej membrány

2. Súčasne prechádzajú do bunky pozdĺž koncentračného gradientu dve rôzne látky

3. K prenosu látok dochádza proti koncentračnému gradientu

2. Vyber správnu odpoveď.

ag-G proteínová podjednotka naviazaná na GTP aktivuje:

A. Receptor

B. Proteínkináza A

B. Fosfodiesteráza G. adenylátcykláza D. Proteínkináza C

3. Zápas.

Funkcia:

A. Reguluje aktivitu katalytického receptora B. Aktivuje fosfolipázu C

B. Konvertuje proteínkinázu A na aktívnu formu

D. Zvyšuje koncentráciu Ca 2+ v cytosóle bunky D. Aktivuje proteínkinázu C

Sekundárny posol:

4. Zápas.

Prevádzka:

A. Schopný laterálnej difúzie v membránovej dvojvrstve

B. V komplexe s primárnym poslom sa spája so zosilňovačom

B. Pri interakcii s primárnym poslom vykazuje enzymatickú aktivitu

D. Môže interagovať s G proteínom

D. Počas prenosu signálu interaguje s fosfolipázou C Receptor:

1. Inzulín

2. Adrenalín

3. Steroidný hormón

5. Dokončite „reťazovú“ úlohu:

A) peptidové hormóny interagujú s receptormi:

A. V cytosóle bunky

B. Integrálne proteíny membrán cieľových buniek

B. V bunkovom jadre

D. Kovalentne naviazaný na FIF 2

b) interakcia takéhoto receptora s hormónom spôsobuje zvýšenie koncentrácie v bunke:

A. Hormón

B. Intermediárne metabolity

B. Sekundárne poslovia D. Jadrové proteíny

V) tieto molekuly môžu byť:

A. TAG B. GTP

B. FIF2 G. cAMP

G) aktivujú:

A. Adenylátcykláza

B. Ca 2+ -dependentný kalmodulín

B. Proteínkináza A D. Fosfolipáza C

e) tento enzým mení rýchlosť metabolických procesov v bunke:

A. Zvýšenie koncentrácie Ca 2 + v cytosóle B. Fosforylácia regulačných enzýmov

B. Aktivácia proteínovej fosfatázy

D. Zmeny v génovej expresii regulačných proteínov

6. Dokončite „reťazovú“ úlohu:

A) pripojenie rastového faktora (GF) k receptoru (R) vedie k:

A. Zmeny v lokalizácii komplexu FR-R

B. Dimerizácia a transautofosforylácia receptora

B. Zmena konformácie receptora a pripojenie na Gs proteín D. Premiestnenie komplexu FR-R

b) Takéto zmeny v štruktúre receptora zvyšujú jeho afinitu k proteínu povrchovej membrány:

B. Raf G. Grb2

V) táto interakcia zvyšuje pravdepodobnosť spojenia cytosolického proteínu s komplexom:

A. Calmodulina B. Ras

B. PKS D. SOS

G) čo zvyšuje komplementaritu komplexu k „ukotvenému“ proteínu:

d) zmena v konformácii „ukotveného“ proteínu znižuje jeho afinitu k:

A. cAMP B. GTP

B. GDP D. ATP

e) táto látka sa nahrádza takto:

A. HDF B. AMP

B. cGMP G. GTP

a) pridanie nukleotidu podporuje interakciu „ukotveného“ proteínu s:

A. PKA B. Kalmodulín

h) tento proteín je súčasťou komplexu, ktorý fosforyluje:

A. MEK kináza B. Proteínkináza C

B. Proteínkináza AD. MAP kináza

a) tento enzým následne aktivuje:

A. MEK kináza B. Proteínkináza G

B. Raf proteín D. MAP kináza

j) fosforylácia proteínu zvyšuje jeho afinitu k:

A. SOS a Raf proteíny B. Jadrové regulačné proteíny B. Kalmodulín D. Jadrové receptory

k) aktivácia týchto proteínov vedie k:

A. Defosforylácia GTP v aktívnom centre proteínu Ras B. Zníženie afinity receptora pre rastový faktor

B. Zvýšenie rýchlosti biosyntézy matrice D. Disociácia komplexu SOS-Grb2

m) v dôsledku toho:

A. SOS proteín disociuje z receptora.

B. Dochádza k disociácii receptorových protomérov (R).

B. Proteín Ras sa oddeľuje od proteínu Raf

D. Zvyšuje sa proliferatívna aktivita cieľovej bunky.

ŠTANDARDY ODPOVEDÍ NA „SEBAOVLÁDACIE ÚLOHY“

1. 1-B, 2-A, 3-D

3. 1-B, 2-D, 3-G

4. 1-B, 2-G, 3-B

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

ZÁKLADNÉ POJMY A POJMY

1. Štruktúra a funkcie membrán

2. Transport látok cez membrány

3. Vlastnosti štruktúry membránových proteínov

4. Transmembránové systémy prenosu signálu (adenylátcykláza, inozitolfosfát, guanylátcykláza, katalytické a intracelulárne receptory)

5. Primárni poslovia

6. Sekundárni poslovia (sprostredkovatelia)

ÚLOHY NA PRÁCU V TRIEDE

1. Pozrite si obr. 4.19 a dokončite nasledujúce úlohy:

a) pomenovať druh dopravy;

b) určiť poradie udalostí:

A. Cl - opúšťa bunku pozdĺž koncentračného gradientu

B. Proteínkináza A fosforyluje R podjednotku kanála

B. Mení sa konformácia podjednotky R

D. Vyskytujú sa kooperatívne konformačné zmeny membránového proteínu

D. Aktivuje sa systém adenylátcyklázy

Ryža. 4.19. Fungovanie C1 kanála v črevnom endoteli.

R je regulačný proteín, ktorý sa premieňa na fosforylovanú formu proteínkinázou A (PKA)

c) vyplnením tabuľky porovnajte fungovanie Ca 2+ kanála membrány endoplazmatického retikula a Cl - kanála endotelovej bunky čreva. 4.3.

Tabuľka 4.3. Metódy regulácie fungovania kanálov

Riešiť problémy

1. Sťahom srdcového svalu sa aktivuje Ca 2+, ktorého obsah v cytosóle bunky sa zvyšuje v dôsledku fungovania cAMP-dependentných transportérov cytoplazmatickej membrány. Koncentráciu cAMP v bunkách zase regulujú dve signálne molekuly – adrenalín a acetylcholín. Okrem toho je známe, že adrenalín v interakcii s β2-adrenergnými receptormi zvyšuje koncentráciu cAMP v bunkách myokardu a stimuluje srdcový výdaj a acetylcholín v interakcii s M2-cholinergnými receptormi znižuje hladinu cAMP a kontraktilitu myokardu. Vysvetlite, prečo dvaja primárni poslovia používajúci rovnaký systém prenosu signálu produkujú rôzne bunkové odpovede. Pre to:

a) predstavte si schému prenosu signálu pre adrenalín a acetylcholín;

b) označujú rozdiel v kaskádach prenosu signálu týchto poslov.

2. Acetylcholín, interagujúci s M3-cholinergnými receptormi slinných žliaz, stimuluje uvoľňovanie Ca2+ z ER. Zvýšenie koncentrácie Ca 2+ v cytosóle zabezpečuje exocytózu sekrečných granúl a uvoľňovanie elektrolytov a malého množstva bielkovín do slinného kanálika. Vysvetlite, ako je regulované fungovanie ER Ca 2+ kanálov. Pre to:

a) pomenujte sekundárneho posla, ktorý zabezpečuje otvorenie Ca2+ kanálov v ER;

b) napíšte reakciu vzniku sekundárneho posla;

c) prezentovať schému transmembránového prenosu signálu acetylcholínu, pri aktivácii ktorého vzniká Ca 2+ kanál regulačného ligandu

3. Výskumníci inzulínových receptorov identifikovali významnú zmenu v géne pre proteín, ktorý je jedným zo substrátov inzulínového receptora. Ako ovplyvní porucha štruktúry tohto proteínu fungovanie systému prenosu inzulínového signálu? Ak chcete odpovedať na otázku:

a) uveďte diagram transmembránového prenosu signálu inzulínu;

b) vymenovať bielkoviny a enzýmy, ktoré inzulín v cieľových bunkách aktivuje, uviesť ich funkciu.

4. Proteín Ras je ukotvený proteín cytoplazmatickej membrány. Funkciu „kotvy“ vykonáva 15-uhlíkový farnezylový zvyšok H3C-(CH3)C=CH-CH2-[CH2-(CH3)C=CH-CH2]2-, ktorý je pripojený na proteín enzýmom farnezyltransferázou počas posttranslačnej modifikácie. Inhibítory tohto enzýmu v súčasnosti prechádzajú klinickými skúškami.

Prečo užívanie týchto liekov vedie k narušeniu prenosu signálu rastového faktora? Odpovedať:

a) predstavujú schému prenosu signálu zahŕňajúcu proteíny Ras;

b) vysvetliť funkciu proteínov Ras a dôsledky narušenia ich acylácie;

c) hádajte, na aké choroby boli tieto lieky vyvinuté.

5. Steroidný hormón kalcitriol aktivuje vstrebávanie vápnika z potravy, čím zvyšuje počet transportných proteínov Ca 2+ v črevných bunkách. Vysvetlite mechanizmus účinku kalcitriolu. Pre to:

a) uveďte všeobecnú schému prenosu signálu steroidných hormónov a opíšte jeho fungovanie;

b) pomenovať proces, ktorý aktivuje hormón v jadre cieľovej bunky;

c) uveďte, na ktorej biosyntéze matrice sa budú podieľať molekuly syntetizované v jadre a kde sa vyskytuje.

Reakcia cieľovej bunky na pôsobenie hormónu je tvorená vytvorením komplexu hormonálneho receptora (GR), čo vedie k aktivácii samotného receptora, iniciácii bunkovej odpovede. Hormón adrenalín pri interakcii s receptorom otvára membránové kanály a vstupný iónový prúd Na + - určuje funkciu bunky. Avšak väčšina hormónov otvára alebo zatvára membránové kanály nie nezávisle, ale v interakcii s G proteínom.

Mechanizmus účinku hormónov na cieľové bunky je spojený s ich chemickou štruktúrou:

■ vo vode rozpustné hormóny – proteíny a polypeptidy, ako aj deriváty aminokyselín – katecholamíny, interagujú s receptormi membrány cieľovej bunky, pričom vytvárajú komplex hormón-receptor (GR). Vznik tohto komplexu vedie k vzniku a sekundárny alebo intracelulárny messenger, s ktorým sú spojené zmeny bunkovej funkcie Počet receptorov na povrchu membrány cieľovej bunky je približne 104-105;

■ hormóny rozpustné v tukoch - steroidy - prechádzajú cez membránu cieľovej bunky a interagujú s plazmatickými receptormi, ktorých počet sa pohybuje od 3000 do 104, pričom vytvárajú GR komplex, ktorý sa potom dostáva do jadrovej membrány. Steroidné hormóny a deriváty aminokyseliny tyrozínu - tyroxín a trijódtyronín - prenikajú jadrovou membránou a interagujú s jadrovými receptormi spojenými s jedným alebo viacerými chromozómami, čo vedie k zmenám v syntéze proteínov v cieľovej bunke.

Podľa moderných koncepcií je účinok hormónov spôsobený stimuláciou alebo inhibíciou katalytickej funkcie určitých enzýmov v cieľových bunkách. Tento efekt možno dosiahnuť dvoma spôsobmi:

■ interakcia hormónu s receptormi na povrchu bunkovej membrány a spustenie reťazca biochemických transformácií v membráne a cytoplazme;

■ penetrácia hormónu cez membránu a väzba na cytoplazmatické receptory, po ktorej komplex hormonálnych receptorov preniká do jadra a organel bunky, kde syntézou nových enzýmov realizuje svoj regulačný účinok.

Prvá cesta vedie k aktivácii membránových enzýmov a tvorbe sekundárnych poslov. Dnes sú známe štyri systémy sekundárnych poslov:

■ adenylátcykláza - cAMP;

■ guanylátcykláza - cGMP;

■ fosfolipáza - inozitol trifosfát;

■ kalmodulín - ionizovaný Ca 2+.

Druhým spôsobom ovplyvnenia cieľových buniek je komplexácia hormónu s receptormi obsiahnutými v bunkovom jadre, čo vedie k aktivácii alebo inhibícii jeho genetického aparátu.

Membránové receptory a druhí poslovia

Hormóny, viažuce sa na membránové receptory cieľovej bunky, tvoria komplex hormón-receptor GR (krok 1) (obr. 6.3). Konformačné zmeny v receptore aktivujú stimulačný G proteín (spojený s receptorom), ktorý je komplexom troch podjednotiek (α-, β-, γ-) a guanozíndifosfátu (GDP). výmena

TABUĽKA 6.11. Stručná charakteristika hormónov

Kde sa vyrábajú hormóny?		Názov hormónu		skratka	Účinky na cieľové bunky
hypotalamus		hormón uvoľňujúci tyreotropín			Stimuluje produkciu tyreotropínu adenohypofýzou
hypotalamus		Hormón uvoľňujúci kortikotropín			Stimuluje produkciu ACTH adenohypofýzou
hypotalamus		Hormón uvoľňujúci gonadotropín			Stimuluje produkciu luteinizačného (LH) a folikuly stimulujúceho (FSP) hormónu adenohypofýzou
hypotalamus		Faktor uvoľňujúci rastový hormón			Stimuluje produkciu rastového hormónu adenohypofýzou
hypotalamus		somatostatín			Potláča produkciu rastového hormónu adenohypofýzou
hypotalamus		Inhibičný faktor prolaktínu (dopamín)			Potláča tvorbu prolaktínu adenohypofýzou
hypotalamus		Faktor stimulujúci prolaktín			Stimuluje produkciu prolaktínu adenohypofýzou
hypotalamus		oxytocín			Stimuluje sekréciu mlieka a kontrakcie maternice
hypotalamus		Vasopresín - antidiuretický hormón			Stimuluje reabsorpciu vody v distálnom nefrone
Predná hypofýza		TSH alebo hormón stimulujúci štítnu žľazu		TSH aboTSH	Stimuluje syntézu a sekréciu tyroxínu a trijódtyronínu štítnou žľazou
Predná hypofýza					Stimuluje sekréciu glukokortikoidov (kortizolu) kôrou nadobličiek
Predná hypofýza		folikuly stimulujúci hormón			Stimuluje rast folikulov a sekréciu estrogénu vaječníkmi
Predná hypofýza		luteinizačný hormón			Stimuluje ovuláciu, tvorbu žltého telieska, ako aj syntézu estrogénu a progesterónu vo vaječníkoch
Predná hypofýza		Rastový hormón alebo somatotropný hormón			Stimuluje syntézu bielkovín a celkový rast
Predná hypofýza		prolaktín			Stimuluje tvorbu a sekréciu mlieka
Predná hypofýza		β-lipotropín
Stredný lalok hypofýzy		melznotropín			Stimuluje syntézu melanínu u rýb, obojživelníkov, plazov (u ľudí stimuluje rast kostry (osifikáciu kostí), zvyšuje intenzitu metabolizmu, tvorbu tepla, zvyšuje využitie bielkovín, tukov, sacharidov bunkami, stimuluje tvorbu mentálnych funkcií po narodení dieťaťa
štítnej žľazy		L-tyroxín
		trijódtyronín
Kôra nadobličiek (zone reticularis)		pohlavné hormóny			Stimuluje produkciu dihydrohepiandrosterónu a androstendiónu
Kôra nadobličiek (zona fasciculata)		Glukokortikoidy (kortizol)			Stimuluje glukoneogenézu, protizápalový účinok, potláča imunitný systém
Kôra nadobličiek (zona glomerulosa)		aldosterón			Zvyšuje reabsorpciu Na+ iónov, sekréciu K+ iónov v nefrónových tubuloch
mozog látka nadobličky		Adrenalín, norepinefrín			Aktivácia alfa, beta adrenergných receptorov
		estrogény			Rast a vývoj ženských pohlavných orgánov, proliferatívna fáza menštruačného cyklu
		progesterón			Sekrečná fáza menštruačného cyklu
		testosterónu			Spermatogenéza, mužské sekundárne pohlavné znaky
Pár štítnej žľazy		Parat hormón (hormón prištítnych teliesok)			Zvyšuje koncentráciu Ca 2+ iónov v krvi (demineralizácia kostí)
Štítna žľaza (C bunky)	kalcitonínu					Znižuje koncentráciu iónov Ca2+ v krvi
Aktivácia v obličkách	1,25-dihydroxycholekalciferol (kalcitriol)					Zvyšuje absorpciu iónov Ca 2+ v čreve
Pankreas – beta bunky						Znižuje koncentráciu glukózy v krvi
Pankreas – alfa bunky	glukagón					Zvyšuje koncentráciu glukózy v krvi
placenta	Ľudský choriový gonadotropín					Zvyšuje syntézu estrogénu a progesterónu
placenta	Ľudský placentárny laktogén					Pôsobí ako rastový hormón a prolaktín počas tehotenstva

RYŽA. 6.3. Schéma mechanizmu účinku hormónu s tvorbou sekundárneho intracelulárneho posla cAMP. GDP - guanín difosfát, GTP - guanín trifosfát

GDP na guanozíntrifosfát GTP (krok 2) vedie k oddeleniu α-podjednotky, ktorá okamžite interaguje s inými signálnymi proteínmi, čím sa mení aktivita iónových kanálov alebo bunkových enzýmov - adenylátcyklázy alebo fosfolipázy C - a funkcia bunky.

Pôsobenie hormónov na cieľové bunky s tvorbou druhého posla cAMP

Aktivovaný membránový enzým adenylátcykláza premieňa ATP na druhý posol cyklický adenozínmonofosfát cAMP (krok 3) (pozri obr. 6.3), ktorý následne aktivuje enzým proteín kinázu A (krok 4), čo vedie k fosforylácii špecifických proteínov ( krok 5, ktorého dôsledkom je zmena fyziologickej funkcie (krok 6), napríklad tvorba nových membránových kanálov pre ióny vápnika, čo vedie k zvýšeniu sily srdcových kontrakcií.

Druhý posol cAMP je štiepený enzýmom fosfodiesterázou na neaktívnu formu 5'-AMP.

Niektoré hormóny (natriuretické) interagujú s inhibičnými G-proteínmi, čo vedie k zníženiu aktivity membránových enzýmov adenylátcyklázy a zníženiu funkcie buniek.

Pôsobenie hormónov na cieľové bunky s tvorbou druhých poslov - diacylglycerol a inozitol-3-fosfát

Hormón tvorí komplex s membránovým receptorom - OS (1. krok) (obr. 6.4) a prostredníctvom G-proteínu (2. krok) aktivuje fosfolipázu C pripojenú na vnútorný povrch receptora (3. krok).

Vplyvom fosfolipázy C, ktorá hydrolyzuje membránové fosfolipidy (fosfatidylinozitolbifosfát), sa vytvárajú dvaja sekundárni poslovia – diacylglycerol (DG) a inozitol-3-fosfát (IP3) (krok 4).

Sekundárny messenger IP3 mobilizuje uvoľňovanie Ca2+ iónov z mitochondrií a endoplazmatického retikula (krok 5), ktoré sa správajú ako sekundárni poslovia. Ca2+ ióny spolu s DH (lipid second messenger) aktivujú enzým proteín kinázu C (krok 6), ktorý fosforyluje proteíny a spôsobuje zmeny vo fyziologických funkciách cieľovej bunky.

Pôsobenie hormónov prostredníctvom vápnikovo-kalmodulínových systémov ktorý pôsobí ako sekundárny sprostredkovateľ. Keď vápnik vstúpi do bunky, naviaže sa na kalmodulín a aktivuje ho. Aktivovaný kalmodulín zase zvyšuje aktivitu proteínkinázy, čo vedie k fosforylácii bielkovín, zmene bunkových funkcií.

Vplyv hormónov na genetický aparát bunky

Steroidné hormóny rozpustné v tukoch prechádzajú cez membránu cieľovej bunky (krok 1) (obr. 6.5), kde sa viažu na receptorové proteíny v cytoplazme. Vytvorený komplex GR (krok 2) difunduje do jadra a viaže sa na špecifické oblasti DNA chromozómu (krok 3), čím sa aktivuje proces transkripcie prostredníctvom tvorby mRNA (krok 4). mRNA prenáša matrix do cytoplazmy, kde zabezpečuje translačné procesy na ribozómoch (5. krok) a syntézu nových proteínov (6. krok), čo vedie k zmenám fyziologických funkcií.

Hormóny štítnej žľazy rozpustné v tukoch, tyroxín a trijódtyronín, vstupujú do jadra, kde sa viažu na receptorový proteín, čo je proteín nachádzajúci sa na chromozómoch DNA. Tieto receptory riadia funkciu génových promótorov aj operátorov.

Hormóny aktivujú genetické mechanizmy nachádzajúce sa v jadre, ktoré produkujú viac ako 100 typov bunkových proteínov. Mnohé z nich sú enzýmy, ktoré zvyšujú metabolickú aktivitu buniek tela. Po jednej reakcii s intracelulárnymi receptormi poskytujú hormóny štítnej žľazy kontrolu génovej expresie na niekoľko týždňov.

Ryža. 3. Schéma na stimuláciu štiepenia glykogénu zvýšením hladín cAMP

Cytoskeletové signály

Kaskádová schéma enzýmových interakcií regulovaná cAMP sa zdá byť zložitá, ale v skutočnosti je ešte zložitejšia. Najmä receptory spojené s primárnymi poslami ovplyvňujú aktivitu adenylátcyklázy nie priamo, ale prostredníctvom takzvaných G-proteínov (obr. 4), ktoré pracujú pod kontrolou kyseliny guaníntrifosforečnej (GTP).

Čo sa stane, keď sa z nejakého dôvodu naruší normálne spojenie udalostí? Príkladom môže byť cholera. Toxín ​​Vibrio cholerae ovplyvňuje hladiny GTP a ovplyvňuje aktivitu G proteínov. V dôsledku toho je hladina cAMP v črevných bunkách pacientov s cholerou neustále vysoká, čo spôsobuje prechod veľkého množstva sodíkových iónov a vody z buniek do črevného lúmenu. Dôsledkom toho je oslabujúca hnačka a strata vody z tela.

Normálne sa pod vplyvom enzýmu fosfodiesterázy cAMP v bunke rýchlo inaktivuje a mení sa na necyklický adenozínmonofosfát AMP. Priebeh ďalšieho ochorenia, čierneho kašľa, spôsobeného baktériou Bordetella pertussis, je sprevádzaný tvorbou toxínu, ktorý inhibuje premenu cAMP na AMP. To vedie k nepríjemným príznakom ochorenia - začervenaniu hrdla a kašľu vedúcemu k zvracaniu.

Aktivitu fosfodiesterázy, ktorá premieňa cAMP na AMP, ovplyvňuje napríklad kofeín a teofylín, ktorý spôsobuje povzbudzujúci účinok kávy a čaju.

Rozmanitosť účinkov cAMP a spôsobov regulácie jeho koncentrácie v bunkách z neho robí univerzálneho druhého posla, ktorý hrá kľúčovú úlohu pri aktivácii rôznych proteínkináz.

V rôznych bunkách môže cAMP viesť k úplne odlišným účinkom. Táto zlúčenina sa podieľa nielen na rozklade glykogénu a tukov, ale zvyšuje aj srdcovú frekvenciu, ovplyvňuje svalovú relaxáciu, riadi intenzitu sekrécie a rýchlosť vstrebávania tekutín. Je to sekundárny posol pre celý rad rôznych hormónov: adrenalín, vazopresín, glukagón, serotonín, prostaglandín, hormón stimulujúci štítnu žľazu; cAMP pôsobí v bunkách kostrového svalstva, srdcového svalu, hladkého svalstva, obličiek, pečene a krvných doštičiek.

Vzniká rozumná otázka: prečo rôzne bunky reagujú na cAMP odlišne? Dá sa to sformulovať aj inak: prečo sa pri zvýšení koncentrácie cAMP v rôznych bunkách aktivujú rôzne proteínkinázy, ktoré fosforylujú rôzne proteíny? Túto situáciu možno ilustrovať nasledujúcou analógiou. Predstavte si, že k dverám kancelárie sa neustále približujú rôzni návštevníci – ligandy a primárni poslovia. Zároveň zazvonia na jediný zvon: zaznie signál - sekundárny posol. Ako môžu zamestnanci podniku určiť, kto presne prišiel na návštevu a ako na tohto návštevníka reagovať?

Záhada iónov vápnika

Najprv sa zamyslime nad tým, čo sa stane s druhým extrémne bežným sekundárnym poslom – vápnikom, respektíve jeho iónmi. Ich kľúčová úloha v mnohých biologických reakciách bola prvýkrát preukázaná v roku 1883, keď si Sidney Ringer všimol, že izolované žabie svaly sa v destilovanej vode nesťahujú. Aby sa sval v reakcii na elektrickú stimuláciu stiahol, vyžaduje prítomnosť iónov vápnika vo svojom prostredí.

Sled hlavných udalostí, ktoré sa vyskytujú počas kontrakcie kostrového svalstva, je dnes dobre známy (obr. 5). V reakcii na elektrický impulz, ktorý zasiahne sval pozdĺž axónu nervovej bunky, sa vo vnútri svalovej bunky otvárajú zásobníky iónov vápnika - myofibrily - membránové cisterny, v ktorých môže byť koncentrácia iónov vápnika tisíckrát alebo viackrát vyššia ako v cytoplazme (obr. 6). Uvoľnený vápnik sa viaže na proteín troponín C, ktorý je spojený s aktínovými filamentmi vystielajúcimi vnútorný povrch bunky. Troponín (obr. 7) zohráva úlohu blokátora, ktorý zabraňuje kĺzaniu myozínových filamentov po aktínových filamentoch. V dôsledku pridania vápnika k troponínu sa blok oddelí od filamenta, myozín kĺže po aktíne a sval sa stiahne (obr. 8). Len čo kontrakcia skončí, špeciálne bielkoviny – kalciové ATPázy – pumpujú ióny vápnika späť do vnútrobunkových rezervoárov.

Koncentráciu intracelulárneho vápnika ovplyvňujú nielen nervové impulzy, ale aj iné signály. Môže to byť napríklad cAMP, ktorý je nám už známy. V reakcii na výskyt adrenalínu v krvi a zodpovedajúce zvýšenie koncentrácie cAMP v bunkách srdcového svalu sa v nich uvoľňujú ióny vápnika, čo vedie k zvýšeniu srdcovej frekvencie.

Látky ovplyvňujúce vápnik môžu byť obsiahnuté aj priamo v bunkovej membráne. Ako je známe, membrána pozostáva z fosfolipidov, medzi ktorými zohráva osobitnú úlohu jeden - fosfoinozitol-4, 5-difosfát. Okrem inozitolu obsahuje molekula fosfoinozitol-4,5-difosfátu dva dlhé uhľovodíkové reťazce pozostávajúce z 20 a 17 atómov uhlíka (obr. 9). Pod vplyvom určitých extracelulárnych signálov a pod kontrolou už čitateľom známych G-proteínov dochádza k ich odlúčeniu, čo vedie k vytvoreniu dvoch molekúl – diacylglycerolu a inozitoltrifosfátu. Ten sa podieľa na uvoľňovaní intracelulárneho vápnika (obr. 10). Tento druh signalizácie sa používa napríklad pri oplodnených vajíčkach žaby s pazúrikmi.

Preniknutie prvej z mnohých spermií do vajíčka pripraveného na oplodnenie spôsobuje tvorbu inozitoltrifosfátu v jeho membráne. Výsledkom je, že ióny vápnika sa uvoľňujú z vnútorných rezervoárov a membrána oplodneného vajíčka okamžite napučí, čím sa preruší cesta do vajíčka pre menej šťastné alebo menej výkonné spermie.

Ako môže niečo také jednoduché ako ión vápnika regulovať aktivitu bielkovín? Ukázalo sa, že sa vo vnútri bunky viaže na špeciálny proteín kalmodulín (obr. 11). Tento pomerne veľký proteín pozostávajúci zo 148 aminokyselinových zvyškov, ako napríklad cAMP, bol nájdený takmer vo všetkých študovaných bunkách.