Некоторые гормоны , в том числе стероиды коры надпочечников и гонад, гормоны щитовидной железы, ретиноидные гормоны и витамин D, связываются с белковыми рецепторами в основном внутри клетки, а не на ее поверхности. Эти гормоны жирорастворимы, поэтому легко проникают через мембрану и взаимодействуют с рецепторами в цитоплазме или ядре. Активированный гормон-рецепторный комплекс взаимодействует со специфическим регулятором (промоутером) последовательности в ДНК, называемым элементом гормонального ответа.
Таким образом, он активирует или репрессирует транскрипцию конкретных генов и образование матричной РНК, поэтому через несколько минут, часов и даже дней после поступления гормона в клетку в ней появляются вновь сформированные белки и становятся регуляторами новых или измененных функций клетки.
Многие ткани имеют идентичные внутриклеточные гормональные рецепторы , однако гены, регулируемые этими рецепторами, различны. Внутриклеточные рецепторы могут активировать генный ответ только в случае наличия в клетке соответствующих комбинаций ген-регуляторных белков. Многие из этих протеин-регуляторных комплексов имеют в разных тканях свои особенности, поэтому ответ различных тканей предопределяется не только специфичностью рецепторов, но также генами, которые регулируются через эти рецепторы.
Ранее мы отметили один из способов , с помощью которого гормоны вызывают ответы клеток и стимуляцию образования вторичного посредника цАМФ внутри клетки. Затем цАМФ становится причиной запуска последовательных внутриклеточных ответов на действие гормона. Итак, непосредственное действие гормона на клетку заключается в активации индуцирующего рецептора на мембране, а вторичные посредники обеспечивают остальные реакции.
цАМФ - не единственный вторичный посредник, используемый гормонами. Существуют два других, наиболее важных посредника: (1) ионы кальция, сопряженные с кальмодулином; (2) фосфолипидные фрагменты мембран.
Присоединение гормона к рецептору позволяет последнему взаимодействовать с G-белком. Если G-белок активирует систему аденилатциклаза-цАМФ, его называют Gs-белком, указывая на стимулирующую роль G-белка. Стимуляция аденилатциклазы, связанной с мембраной фермента посредствам Gs-белка, катализирует превращение небольшого количества присутствующего в цитоплазме аденозинтрифосфата в цАМФ внутри клетки.
Следующий этап опосредован активацией цАМФ-зависимой протеинкиназой, которая фосфорилирует специфические белки в клетке, запуская биохимические реакции, что гарантированно обеспечивает ответ клетки на действие гормона.
Как только цАМФ образуется в клетке, это обеспечивает последовательную активацию ряда ферментов, т.е. каскадную реакцию. Таким образом, первый активированный фермент активирует второй, который активирует третий. Задача такого механизма заключается в том, что небольшое количество молекул, активированных аденилатциклазой, может активировать значительно большее количество молекул на следующем этапе каскадной реакции, что является способом усиления ответа.
В итоге благодаря этому механизму ничтожно малое количество гормона, действующее на поверхность мембраны клетки, запускает мощный каскад активирующих реакций.
Если гормон взаимодействует с рецептором , сопряженным с тормозящим G-белком (Gi-белок), это снижает образование цАМФ и, как следствие, снижает активность клетки. Следовательно, в зависимости от взаимодействия гормона с рецептором, сопряженным с активирующим или тормозящим G-белком, гормон может как увеличивать, так и уменьшать концентрацию цАМФ и фосфорилирование ключевых белков клетки.
Специфичность эффекта , наблюдаемого в ответ на увеличение или уменьшение цАМФ в различных клетках, зависит от природы внутриклеточных механизмов: некоторые клетки имеют один набор ферментов, другие - иной. В связи с этим реакции, вызываемые в клетках-мишенях, разнообразны. Например, инициация синтеза специфических химических соединений вызывает сокращение или расслабление мышц либо процессы секреции в клетках или изменение проницаемости мембран.
Клетки щитовидной железы , активированные цАМФ, образуют метаболические гормоны - тироксин или трииодтиронин, в то время как тот же цАМФ в клетках надпочечников приводит к синтезу стероидных гормонов коры надпочечников. В клетках тубулярного аппарата почек цАМФ повышает проницаемость для воды.
Краткое описание:
Учебный материал по биохимии и молекулярной биологии: Строение и функции биологических мембран.
_Темы _
4.1. Общая характеристика мембран. Строение и состав мембран
4.2. Транспорт веществ через мембраны
4.3. Трансмембранная передача сигналов _
Цели изучения Уметь:
1. Интерпретировать роль мембран в регуляции метаболизма, транспорте веществ в клетку и удалении метаболитов.
2. Объяснять молекулярные механизмы действия гормонов и других сигнальных молекул на органы-мишени.
Знать:
1. Строение биологических мембран и их роль в обмене веществ и энергии.
2. Основные способы переноса веществ через мембраны.
3. Главные компоненты и этапы трансмембранной передачи сигналов гормонов, медиаторов, цитокинов, эйкозаноидов.
ТЕМА 4.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕМБРАН.
СТРОЕНИЕ И СОСТАВ МЕМБРАН
Все клетки и внутриклеточные органеллы окружены мембранами, которые играют важную роль в их структурной организации и функционировании. Основные принципы построения всех мембран одинаковы. Однако плазматическая мембрана, а также мембраны эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи, митохондрий и ядра имеют существенные структурные особенности, они уникальны по своему составу и по характеру выполняемых функций.
Мембраны:
Отделяют клетки от окружающей среды и делят ее на компартменты (отсеки);
Регулируют транспорт веществ в клетки и органеллы и в обратном направлении;
Обеспечивают специфику межклеточных контактов;
Воспринимают сигналы из внешней среды.
Согласованное функционирование мембранных систем, включающих рецепторы, ферменты, транспортные системы, помогает поддерживать гомеостаз клетки и быстро реагировать на изменения состояния внешней среды путем регуляции метаболизма внутри клеток.
Биологические мембраны построены из липидов и белков, связанных друг с другом с помощью нековалентных взаимодействий. Основу мембраны составляет двойной липидный слой, в состав которого включены белковые молекулы (рис. 4.1). Липидный бислой образован двумя рядами амфифильных молекул, гидрофобные «хвосты» которых спрятаны внутрь, а гидрофильные группы - полярные «головки» обращены наружу и контактируют с водной средой.
1. Липиды мембран. В состав липидов мембран входят как насыщенные, так и ненасыщенные жирные кислоты. Ненасыщенные жирные кислоты встречаются в два раза чаще чем насыщенные, что определяет текучесть мембран и конформационную лабильность мембранных белков.
В мембранах присутствуют липиды трех главных типов - фосфолипиды, гликолипиды и холестерол (рис. 4.2 - 4.4). Чаще всего встречаются глицерофосфолипиды - производные фосфатидной кислоты.
Рис. 4.1. Поперечный разрез плазматической мембраны
Рис. 4.2. Глицерофосфолипиды.
Фосфатидная кислота - это диацилглицеролфосфат. R 1 , R 2 - радикалы жирных кислот (гидрофобные «хвосты»). Со вторым углеродным атомом глицерола связан остаток полиненасыщенной жирной кислоты. Полярной «головкой» является остаток фосфорной кислоты и присоединенная к нему гидрофильная группа серина, холина, этаноламина или инозитола
Существуют также липиды - производные аминоспирта сфингозина.
Аминоспирт сфингозин при ацилировании, т.е. присоединении жирной кислоты к NH 2 -группе, превращается в церамид. Церамиды различаются по остатку жирной кислоты. С ОН-группой церамида могут быть связаны разные полярные группы. В зависимости от строения полярной «головки» эти производные разделены на две группы - фосфолипиды и гликолипиды. Строение полярной группы сфингофосфолипидов (сфингомиелинов) сходно с глицерофосфолипидами. Много сфингомиелинов содержится в составе миелиновых оболочек нервных волокон. Гликолипиды представляют собой углеводные производные церамида. В зависимости от строения углеводной составляющей различают цереброзиды и ганглиозиды.
Холестерол содержится в мембранах всех животных клеток, он придает мембранам жесткость и снижает их жидкостность (текучесть). Молекула холестерола располагается в гидрофобной зоне мембраны параллельно гидрофобным «хвостам» молекул фосфо- и гликолипидов. Гидроксильная группа холестерола, как и гидрофильные «головки» фосфо- и гликолипидов,
Рис. 4.3. Производные аминоспирта сфингозина.
Церамид - ацилированный сфингозин (R 1 - радикал жирной кислоты). К фосфолипидам относятся сфингомиелины, у которых полярная группа состоит из остатка фосфорной кислоты и холина, этаноламина или серина. Гидрофильной группой (полярной «головкой») гликолипидов является углеводный остаток. Цереброзиды содержат моноили олигосахаридный остаток линейного строения. В состав ганглиозидов входит разветвленный олигосахарид, одним из мономерных звеньев которого является НАНК - N-ацетилнейраминовая кислота
обращена к водной фазе. Молярное соотношение холестерола и других липидов в мембранах равно 0,3-0,9. Самое высокое значение имеет эта величина для цитоплазматической мембраны.
Увеличение содержания холестерола в мембранах уменьшает подвижность цепей жирных кислот, что влияет на конформационную лабильность мембранных белков и снижает возможность их латеральной диффузии. При повышении текучести мембран, вызванном действием на них липофильных веществ или перекисным окислением липидов, доля холестерола в мембранах возрастает.
Рис. 4.4. Положение в мембране фосфолипидов и холестерола.
Молекула холестерола состоит из жесткого гидрофобного ядра и гибкой углеводородной цепи. Полярной «головкой» является ОН-группа у 3-го углеродного атома молекулы холестерола. Для сравнения на рисунке представлено схематическое изображение фосфолипида мембран. Полярная головка этих молекул значительно больше и имеет заряд
Липидный состав мембран различен, содержание того или другого липида, по-видимому, определяется разнообразием функций, которые выполняют эти молекулы в мембранах.
Главные функции липидов мембран состоят в том, что они:
Формируют липидный бислой - структурную основу мембран;
Обеспечивают необходимую для функционирования мембранных белков среду;
Участвуют в регуляции активности ферментов;
Служат «якорем» для поверхностных белков;
Участвуют в передаче гормональных сигналов.
Изменение структуры липидного бислоя может привести к нарушению функций мембран.
2. Белки мембран. Белки мембран различаются по своему положению в мембране (рис. 4.5). Мембранные белки, контактирующие с гидрофобной областью липидного бислоя, должны быть амфифильными, т.е. иметь неполярный домен. Амфифильность достигается благодаря тому, что:
Аминокислотные остатки, контактирующие с липидным бислоем, в основном неполярны;
Многие мембранные белки ковалентно связаны с остатками жирных кислот (ацилированы).
Ацильные остатки жирных кислот, присоединенные к белку, обеспечивают его «заякоревание» в мембране и возможность латеральной диффузии. Кроме того, белки мембран подвергаются таким посттрансляционным модификациям, как гликозилирование и фосфорилирование. Гликозилирование наружной поверхности интегральных белков защищает их от повреждения протеазами межклеточного пространства.
Рис. 4.5. Белки мембран:
1, 2 - интегральные (трансмембранные) белки; 3, 4, 5, 6 - поверхностные белки. В интегральных белках часть полипептидной цепи погружена в липидный слой. Те участки белка, которые взаимодействуют с углеводородными цепями жирных кислот, содержат преимущественно неполярные аминокислоты. Участки белка, находящиеся в области полярных «головок», обогащены гидрофильными аминокислотными остатками. Поверхностные белки разными способами прикрепляются к мембране: 3 - связанные с интегральными белками; 4 - присоединенные к полярным «головкам» липидного слоя; 5 - «заякоренные» в мембране с помощью короткого гидрофобного концевого домена; 6 - «заякоренные» в мембране с помощью ковалентно связанного ацильного остатка
Наружный и внутренний слои одной и той же мембраны различаются по составу липидов и белков. Эта особенность в строении мембран называется трансмембранней асимметрией.
Белки мембран могут участвовать в:
Избирательном транспорте веществ в клетку и из клетки;
Передаче гормональных сигналов;
Образовании «окаймленных ямок», участвующих в эндоцитозе и экзоцитозе;
Иммунологических реакциях;
Качестве ферментов в превращениях веществ;
Организации межклеточных контактов, обеспечивающих образование тканей и органов.
ТЕМА 4.2. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ
Одна из главных функций мембран - регуляция переноса веществ в клетку и из клетки, удержание веществ, которые нужны клетке и выведение ненужных. Транспорт ионов, органических молекул через мембраны может проходить по градиенту концентрации - пассивный транспорт и против градиента концентрации - активный транспорт.
1. Пассивный транспорт может осуществляться следующими способами (рис. 4.6, 4.7):
Рис. 4.6. Механизмы переноса веществ через мембраны по градиенту концентрации
К пассивному транспорту относится диффузия ионов по белковым каналам, например диффузия Н+, Са 2 +, N+, К+. Функционирование большинства каналов регулируется специфическими лигандами или изменением трансмембранного потенциала.
Рис. 4.7. Са 2 +-канал мембраны эндоплазматического ретикулума, регулируемый инози- тол-1,4,5-трифосфатом (ИФ 3).
ИФ 3 (инозитол-1,4,5-трифосфат) образуется при гидролизе мембранного липида ФИФ 2 (фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата) под действием фермента фосфолипазы С. ИФ 3 связывается специфическими центрами протомеров Са 2 +- канала мембраны эндоплазматического ретикулума. Изменяется конформация белка и канал открывается - Са 2 + поступает в цитозоль клетки по градиенту концентрации
2. Активный транспорт. Первично-активный транспорт происходит против градиента концентрации с затратой энергии АТФ при участии транспортных АТФаз, например Na+, К+-АТФаза, Н+-АТФаза, Са 2 +-АТФаза (рис. 4.8). Н + -АТФазы функционируют как протонные насосы, с помощью которых создается кислая среда в лизосомах клетки. С помощью Са 2+ -АТФазы цитоплазматической мембраны и мембраны эндоплазматического ретикулума поддерживается низкая концентрация кальция в цитозоле клетки и создается внутриклеточное депо Са 2+ в митохондриях и эндоплазматическом ретикулуме.
Вторично-активный транспорт происходит за счет градиента концентрации одного из переносимых веществ (рис. 4.9), который создается чаще всего Na+, К+-АТФазой, функционирующей с затратой АТФ.
Присоединение в активный центр белка-переносчика вещества, концентрация которого выше, изменяет его конформацию и увеличивает сродство к соединению, которое проходит в клетку против градиента концентрации. Вторично-активный транспорт бывает двух типов: активный симпорт и антипорт.
Рис. 4.8. Механизм функционирования Са 2 +-АТФазы
Рис. 4.9. Вторично-активный транспорт
3. Перенос макромолекул и частиц с участием мембран - эндоцитоз и экзоцитоз.
Перенос из внеклеточной среды в клетку макромолекул, например белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов или еще более крупных частиц, происходит путем эндоцитоза. Связывание веществ или высокомолекулярных комплексов происходит в определенных участках плазматической мембраны, которые называются окаймленными ямками. Эндоцитоз, происходящий с участием рецепторов, встроенных в окаймленные ямки, позволяет клеткам поглощать специфические вещества и называется рецептор-зависимым эндоцитозом.
Макромолекулы, например пептидные гормоны, пищеварительные ферменты, белки внеклеточного матрикса, липопротеиновые комплексы, секретируются в кровь или межклеточное пространство путем экзоцитоза. Этот способ транспорта позволяет выводить из клетки вещества, которые накапливаются в секреторных гранулах. В большинстве случаев экзоцитоз регулируется путем изменения концентрации ионов кальция в цитоплазме клеток.
ТЕМА 4.3. ТРАНСМЕМБРАННАЯ ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ
Важное свойство мембран - способность воспринимать и передавать внутрь клетки сигналы из окружающей среды. Восприятие клетками внешних сигналов происходит при их взаимодействии с рецепторами, расположенными в мембране клеток-мишеней. Рецепторы, присоединяя сигнальную молекулу, активируют внутриклеточные пути передачи информации, это приводит к изменению скорости различных метаболических процессов.
1. Сигнальная молекула, специфически взаимодействующая с мембранным рецептором, называется первичным мессенджером. В качестве первичных мессенджеров выступают различные химические соединения - гормоны, нейромедиаторы, эйкозаноиды, ростовые факторы или физические факторы, например квант света. Рецепторы клеточной мембраны, активированные первичными мессенджерами, передают полученную информацию системе белков и ферментов, которые образуют каскад передачи сигнала, обеспечивающий усиление сигнала в несколько сот раз. Время ответа клетки, заключающееся в активации или инактивации метаболических процессов, мышечного сокращения, транспорта веществ из клеток-мишеней, может составлять несколько минут.
Мембранные рецепторы подразделяются на:
Рецепторы, содержащие субъединицу, связывающую первичный мессенджер, и ионный канал;
Рецепторы, способные проявлять каталитическую активность;
Рецепторы, с помощью G-белков активирующие образование вторичных (внутриклеточных) мессенджеров, передающих сигнал специфическим белкам и ферментам цитозоля (рис. 4.10).
Вторичные мессенджеры имеют небольшую молекулярную массу, с высокой скоростью диффундируют в цитозоле клетки, изменяют активность соответствующих белков, а затем быстро расщепляются или удаляются из цитозоля.
Рис. 4.10. Рецепторы, локализованные в мембране.
Мембранные рецепторы можно разделить на три группы. Рецепторы: 1 - содержащие субъединицу, связывающую сигнальную молекулу и ионный канал, например рецептор ацетилхолина на постсинаптической мембране; 2 - проявляющие каталитическую активность после присоединения сигнальной молекулы, например рецептор инсулина; 3, 4 - передающие сигнал на фермент аденилатциклазу (АЦ) или фосфолипазу С (ФЛС) при участии мембранных G-белков, например разные типы рецепторов адреналина, ацетилхолина и других сигнальных молекул
Роль вторичных мессенджеров выполняют молекулы и ионы:
ЦАМФ (циклический аденозин-3",5"-монофосфат);
ЦГМФ (циклический гуанозин-3",5"-монофосфат);
ИФ 3 (инозитол-1,4,5-трифосфат);
ДАГ (диацилглицерол);
Существуют гормоны (стероидные и тиреоидные), которые, проходя липидный бислой, проникают в клетку и взаимодействуют с внутриклеточными рецепторами. Физиологически важным различием между мембранными и внутриклеточными рецепторами является скорость ответа на поступающий сигнал. В первом случае эффект будет быстрым и непродолжительным, во втором - медленным, но длительным.
Рецепторы, сопряженные с G-белками
Взаимодействие гормонов с рецепторами, сопряженными с G-белками, приводит к активации инозитолфосфатной системы трансдукции сигнала или изменению активности аденилатциклазной регуляторной системы.
2. Аденилатциклазная система включает (рис. 4.11):
- интегральные белки цитоплазматической мембраны:
R s - рецептор первичного мессенджера - активатора аденилатциклазной системы (АЦС);
R ; - рецептор первичного мессенджера - ингибитора АЦС;
Фермент аденилатциклазу (АЦ).
- «заякоренные» белки:
G s - ГТФ-связывающий белок, состоящий из α,βγ-субъединиц, в котором (α,-субъединица связана с молекулой ГДФ;
Рис. 4.11. Функционирование аденилатциклазной системы
G ; - ГТФ-связывающий белок, состоящий из αβγ-субъединиц, в котором а; -субъединица связана с молекулой ГДФ; - цитозольный фермент протеинкиназу А (ПКА).
Последовательность событий передачи сигнала первичных мессенджеров с помощью аденилатциклазной системы
Рецептор имеет центры связывания первичного мессенджера на наружной поверхности мембраны и G-белка (α,βγ-ГДФ) на внутренней поверхности мембраны. Взаимодействие активатора аденилатциклазной системы, например гормона с рецептором (R s), приводит к изменению конформации рецептора. Увеличивается сродство рецептора к G..-белку. Присоединение комплекса гормон-рецептор к GS-ГДФ снижает сродство α,-субъединицы G..-белка к ГДФ и увеличивает сродство к ГТФ. В активном центре α,-субъединицы ГДФ замещается на ГТФ. Это вызывает изменение конформации субъединицы α, и снижение ее сродства к субъединицам βγ. Отделившаяся субъединица α,-ГТФ латерально перемещается в липидном слое мембраны к ферменту аденилатциклазе.
Взаимодействие α,-ГТФ с регуляторным центром аденилатциклазы изменяет конформацию фермента, приводит к его активации и увеличению скорости образования вторичного мессенджера - циклического аденозин- 3",5"-монофосфата (цАМФ) из АТФ. В клетке повышается концентрация цАМФ. Молекулы цАМФ могут обратимо соединяться с регуляторными субъединицами протеинкиназы А (ПКА), которая состоит из двух регуляторных (R) и двух каталитических (С) субъединиц - (R 2 С 2). Комплекс R 2 С 2 ферментативной активностью не обладает. Присоединение цАМФ к регуляторным субъединицам вызывает изменение их конформации и потерю комплементарности к С-субъединицам. Каталитические субъединицы приобретают ферментативную активность.
Активная протеинкиназа А с помощью АТФ фосфорилирует специфические белки по остаткам серина и треонина. Фосфорилирование белков и ферментов повышает или понижает их активность, поэтому изменяется скорость метаболических процессов, в которых они участвуют.
Активация сигнальной молекулой рецептора R стимулирует функционирование Gj-белка, которое протекает по тем же правилам, что и для G..-белка. Но при взаимодействии субъединицы α i -ГТФ с аденилатциклазой активность фермента снижается.
Инактивация аденилатциклазы и протеинкиназы А
α,-Субъединица в комплексе с ГТФ при взаимодействии с аденилатциклазой начинает проявлять ферментативную (ГТФ-фосфатазную) активность, она гидролизует ГТФ. Образующаяся молекула ГДФ остается в активном центре α,-субъединицы, изменяет ее конформацию и уменьшает сродство к АЦ. Комплекс АЦ и α,-ГДФ диссоциирует, α,-ГДФ включается в G..-белок. Отделение α,-ГДФ от аденилатциклазы инактивирует фермент и синтез цАМФ прекращается.
Фосфодиэстераза - «заякоренный» фермент цитоплазматической мембраны гидролизует образовавшиеся ранее молекулы цАМФ до АМФ. Снижение концентрации цАМФ в клетке вызывает расщепление комплекса цАМФ 4 К" 2 и повышает сродство R- и С-субъединиц, образуется неактивная форма ПКА.
Фосфорилированные ферменты и белки под действием фосфопротеинфосфатазы переходят в дефосфорилированную форму, изменяется их конформация, активность и скорость процессов, в которых участвуют эти ферменты. В результате система приходит в исходное состояние и готова вновь активироваться при взаимодействии гормона с рецептором. Таким образом, обеспечивается соответствие содержания гормона в крови и интенсивности ответа клеток-мишеней.
3. Участие аденилатциклазной системы в регуляции экспрессии генов. Многие белковые гормоны: глюкагон, вазопрессин, паратгормон и др., передающие свой сигнал посредством аденилатциклазной системы, могут не только вызвать изменение скорости реакций путем фосфорилирования уже имеющихся в клетке ферментов, но и увеличивать или уменьшать их количество, регулируя экспрессию генов (рис. 4.12). Активная протеинкиназа А может проходить в ядро и фосфорилировать фактор транскрипции (СRЕВ). Присоединение фосфорного
Рис. 4.12. Аденилатциклазный путь, приводящий к экспрессии специфических генов
остатка повышает сродство фактора транскрипции (СRЕВ-(Р) к специфиче-ской последовательности регуляторной зоны ДНК-СRЕ (цАМФ-response element) и стимулирует экспрессию генов определенных белков.
Синтезированные белки могут быть ферментами, увеличение количества которых повышает скорость реакций метаболических процессов, или мембранными переносчиками, обеспечивающими поступление или выход из клетки определенных ионов, воды или других веществ.
Рис. 4.13. Инозитолфосфатная система
Работу системы обеспечивают белки: кальмодулин, фермент протеинкиназа С, Са 2 +-кальмодулин-зависимые протеинкиназы, регулируемые Са 2 +-каналы мембраны эндоплазматического ретикулума, Са 2 +-АТФазы клеточной и митохондриальной мембран.
Последовательность событий передачи сигнала первичных мессенджеров с помощью инозитолфосфатной системы
Связывание активатора инозитолфосфатной системы с рецептором (R) приводит к изменению его конформации. Повышается сродство рецептора к Gф лс -белку. Присоединение комплекса первичный мессенджер-рецептор к Gф лс -ГДФ снижает сродство аф лс -субъединицы к ГДФ и увеличивает сродство к ГТФ. В активном центре аф лс -субъединицы ГДФ замещается на ГТФ. Это вызывает изменение конформации субъединицы аф лс и снижение сродства к субъединицам βγ, происходит диссоциация Gф лс -белка. Отделившаяся субъединица аф лс -ГТФ латерально перемещается по мембране к ферменту фосфолипазе С.
Взаимодействие аф лс -ГТФ с центром связывания фосфолипазы С изменяет конформацию и активность фермента, возрастает скорость гидролиза фосфолипида клеточной мембраны - фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфа- та (ФИФ 2) (рис. 4.14).
Рис. 4.14. Гидролиз фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата (ФИФ 2)
В ходе реакции образуются два продукта - вторичные вестники гормонального сигнала (вторичные мессенджеры): диацилглицерол, который остается в мембране и участвует в активации фермента протеинкиназы С, и инозитол-1,4,5-трифосфат (ИФ 3), который, будучи гидрофильным соединением, уходит в цитозоль. Таким образом, сигнал, принятый рецептором клетки, раздваивается. ИФ 3 связывается специфическими центрами Са 2+ - канала мембраны эндоплазматического ретикулума (Э)), что приводит к изменению конформации белка и открытию Са 2+ -канала. Так как концентрация кальция в ЭР примерно на 3-4 порядка выше, чем в цитозоле, после открытия канала Са 2+ по градиенту концентрации поступает в цитозоль. В отсутствие ИФ 3 в цитозоле канал закрыт.
В цитозоле всех клеток содержится небольшой белок кальмодулин, имеющий четыре центра связывания Са 2+ . При повышении концентрации
кальция он активно присоединяется к кальмодулину, образуя комплекс 4Са 2+ -кальмодулин. Этот комплекс взаимодействует с Са 2+ -кальмодулинзависимыми протеинкиназами, другими ферментами и повышает их активность. Активированная Са 2 +-кальмодулин-зависимая протеинкиназа фосфорилирует определенные белки и ферменты, в результате чего изменяется их активность и скорость метаболических процессов, в которых они участвуют.
Повышение концентрации Са 2+ в цитозоле клетки увеличивает скорость взаимодействия Са 2 + с неактивным цитозольным ферментом протеинкиназой С (ПКС). Связывание ПКС с ионами кальция стимулирует перемещение белка к плазматической мембране и позволяет ферменту вступать во взаимодействие с отрицательно заряженными «головками» молекул фосфатидилсерина (ФС) мембраны. Диацилглицерол, занимая специфические центры в протеинкиназе С, в еще большей степени увеличивает ее сродство к ионам кальция. На внутренней стороне мембраны образуется активная форма ПКС (ПКС? Са 2 + ? ФС? ДАГ), которая фосфорилирует специфические ферменты.
Включение ИФ-системы непродолжительно, и после ответа клетки на стимул происходит инактивация фосфолипазы С, протеинкиназы С и Са 2 +-кальмодулин-зависимых ферментов. аф лс -Субъединица в комплексе с ГТФ и фосфолипазой С проявляет ферментативную (ГТФ-фосфатазную) активность, она гидролизует ГТФ. Связанная с ГДФ аф лс -субъединица теряет сродство к фосфолипазе С и возвращается в исходное неактивное состояние, т.е. включается в комплекс αβγ-ГДФ Gф лс -белок).
Отделение аф лс -ГДФ от фосфолипазы С инактивирует фермент и гидролиз ФИФ 2 прекращается. Повышение концентрации Са 2+ в цитозоле активирует работу Са 2+ -АТФаз эндоплазматического ретикулума, цитоплазматической мембраны, которые «выкачивают» Са 2 + из цитозоля клетки. В этом процессе принимают участие также Na+/Са 2 +- и Н+/Са 2 +-переносчики, функционирующие по принципу активного антипорта. Снижение концентрации Са 2+ приводит к диссоциации и инактивации Са 2+ -кальмодулинзависимых ферментов, а также потере сродства протеинкиназы С к липидам мембраны и снижению ее активности.
ИФ 3 и ДАГ, образовавшиеся в результате активации системы, могут снова взаимодействовать друг с другом и превращаться в фосфатидилинозитол- 4,5-бисфосфат.
Фосфорилированные ферменты и белки под действием фосфопротеинфосфатазы переходят в дефосфорилированную форму, изменяется их конформация и активность.
5. Каталитические рецепторы. Каталитические рецепторы являются ферментами. Активаторами этих ферментов могут быть гормоны, ростовые факторы, цитокины. В активной форме - рецепторы-ферменты фосфорилируют специфические белки по -ОН-группам тирозина, поэтому их называют тирозиновыми протеинкиназами (рис. 4.15). При участии специальных механизмов сигнал, полученный каталитическим рецептором, может быть передан в ядро, где он стимулирует или подавляет экспрессию определенных генов.
Рис. 4.15. Активация рецептора инсулина.
Фосфопротеинфосфатаза дефосфорилирует специфические фосфопротеины.
Фосфодиэстераза превращает цАМФ в АМФ и цГМФ в ГМФ.
ГЛЮТ 4 - переносчики глюкозы в инсулинзависимых тканях.
Тирозиновая протеинфосфатаза дефосфорилирует β-субъединицы рецептора
инсулина
Примером каталитического рецептора может служить рецептор инсулина, в состав которого входят две а- и две β-субъединицы. а-Субъединицы расположены на наружной поверхности клеточной мембраны, β-субъединицы пронизывают мембранный бислой. Центр связывания инсулина образован N-концевыми доменами а-субъединиц. Каталитический центр рецептора находится на внутриклеточных доменах β-субъединиц. Цитозольная часть рецептора имеет несколько остатков тирозина, которые могут фосфорилироваться и дефосфорилироваться.
Присоединение инсулина в центр связывания, образованный а-субъединицами, вызывает кооперативные конформационные изменения рецептора. β-Субъединицы проявляют тирозинкиназную активность и катализируют трансаутофосфорилирование (первая β-субъединица фосфорилирует вторую β-субъединицу, и наоборот) по нескольким остаткам тирозина. Фосфорилирование приводит к изменению заряда, конформации и субстратной специфичности фермента (Тир-ПК). Тирозиновая-ПК фосфорилирует определенные клеточные белки, которые получили название субстратов рецептора инсулина. В свою очередь эти белки участвуют в активации каскада реакций фосфорилирования:
фосфопротеинфосфатазы (ФПФ), которая дефосфорилирует специфические фосфопротеины;
фосфодиэстеразы, которая превращает цАМФ в АМФ и цГМФ в ГМФ;
ГЛЮТ 4 - переносчиков глюкозы в инсулинзависимых тканях, поэтому повышается поступление глюкозы в клетки мышц и жировой ткани;
тирозиновой протеинфосфатазы, которая дефосфорилирует β-субъединицы рецептора инсулина;
регуляторных белков ядра, факторов транскрипции, повышающих или снижающих экспрессию генов определенных ферментов.
Реализация эффекта ростовых факторов может осуществляться с помощью каталитических рецепторов, которые состоят из одной полипептидной цепи, но при связывании первичного мессенджера образуют димеры. Все рецепторы этого типа имеют внеклеточный гликозилированный домен, трансмембранный (а-спираль) и цитоплазматический домен, способный при активации проявлять протеинкиназную активность.
Димеризация способствует активации их каталитических внутриклеточных доменов, которые осуществляют трансаутофосфорилирование по аминокислотным остаткам серина, треонина или тирозина. Присоединение фосфорных остатков приводит к формированию у рецептора центров связывания для специфических цитозольных белков и активации протеинкиназного каскада передачи сигнала (рис. 4.16).
Последовательность событий передачи сигнала первичных мессенджеров (ростовых факторов) при участии Ras- и Raf-белков.
Связывание рецептора (R) с фактором роста (ФР) приводит к его димеризации и трансаутофосфорилированию. Фосфорилированный рецептор приобретает сродство к Grb2-белку. Образованный комплекс ФР*R*Grb2 взаимодействует с цитозольным белком SOS. Изменение конформации SOS
обеспечивает его взаимодействие с заякоренным белком мембраны Ras-ГДФ. Образование комплекса ФР?R?Gгb2?SOS?Ras-ГДФ снижает сродство Ras- белка к ГДФ и увеличивает сродство к ГТФ.
Замена ГДФ на ГТФ изменяет конформацию Ras-белка, который отделяется от комплекса и взаимодействует с Raf-белком в примембранной области. Комплекс Ras-ГТФ?Raf проявляет протеинкиназную активность и фосфорилирует фермент МЕК-киназу. Активированная МЕК-киназа в свою очередь фосфорилирует МАП-киназу по треонину и тирозину.
Рис.4.16. МАП-киназный каскад.
Рецепторы такого типа имеют эпидермальный фактор роста (ЭФР), фактор роста нервов (ФРН) и другие ростовые факторы.
Grb2 - протеин, взаимодействующий с рецептором ростового фактора (growth receptor binding protein); SOS (GEF) - ГДФ-ГТФ обменный фактор (guanine nucleotide exchange factor); Ras - G-белок (гуанидинтрифосфатаза); Raf-киназа - в активной форме - фосфорилирующая МЕК-киназу; МЕК-киназа - киназа МАП-киназы; МАП-киназа - митогенактивированная протеинкиназа (mitogen-aktivated protein kinase)
Присоединение группы -РО 3 2- к аминокислотным радикалам МАП-киназы изменяет ее заряд, конформацию и активность. Фермент фосфорилирует по серину и треонину специфические белки мембран, цитозоля и ядра.
Изменение активности этих белков оказывает влияние на скорость метаболических процессов, функционирование мембранных транслоказ, митотическую активность клеток-мишеней.
Рецепторы с гуанилатциклазной активностью также относятся к каталитическим рецепторам. Гуанилатциклаза катализирует образование из ГТФ цГМФ, который является одним из важных мессенджеров (посредников) внутриклеточной передачи сигнала (рис. 4.17).
Рис. 4.17. Регуляция активности мембранной гуанилатциклазы.
Мембранно-связанная гуанилатциклаза (ГЦ) - трансмембранный гликопротеин. Центр связывания сигнальной молекулы находится на внеклеточном домене, внутриклеточный домен гуанилатциклазы в результате активации проявляет каталитическую активность
Присоединение первичного мессенджера к рецептору активирует гуанилатциклазу, которая катализирует превращение ГТФ в циклический гуанозин-3",5"-монофосфат (цГМФ) - вторичный мессенджер. В клетке повышается концентрация цГМФ. Молекулы цГМФ могут обратимо присоединяться к регуляторным центрам протеинкиназы G (ПКЧ5), которая состоит из двух субъединиц. Четыре молекулы цГМФ изменяют конформацию и активность фермента. Активная протеинкиназа G катализирует фосфорилирование определенных белков и ферментов цитозоля клетки. Одним из первичных мессенджеров протеинкиназы G является предсердный натриуретический фактор (ПНФ), регулирующий гомеостаз жидкости в организме.
6. Передача сигнала с помощью внутриклеточных рецепторов. Гидрофобные по химической природе гормоны (стероидные гормоны и тироксин) могут диффундировать через мембраны, поэтому их рецепторы находятся в цитозоле или ядре клетки.
Цитозольные рецепторы связаны с белком-шапероном, который предотвращает преждевременную активацию рецептора. Ядерные и цитозольные рецепторы стероидных и тиреоидных гормонов содержат ДНКсвязывающий домен, обеспечивающий в ядре взаимодействие комплекса гормон-рецептор с регуляторными участками ДНК и изменение скорости транскрипции.
Последовательность событий, приводящих к изменению скорости транскрипции
Гормон проходит через двойной липидный слой клеточной мембраны. В цитозоле или ядре гормон взаимодействует с рецептором. Комплекс гормон-рецептор проходит в ядро и присоединяется к регуляторной нуклеотидной последовательности ДНК - энхансеру (рис. 4.18) или сайленсеру. Доступность промотора для РНК-полимеразы увеличивается при взаимодействии с энхансером или уменьшается при взаимодействии с сайленсером. Соответственно увеличивается или уменьшается скорость транскрипции определенных структурных генов. Зрелые мРНК выходят из ядра. Увеличивается или уменьшается скорость трансляции определенных белков. Изменяется количество белков, которые влияют на метаболизм и функциональное состояние клетки.
В каждой клетке существуют рецепторы, включенные в состав разных сигнал-трансдукторных систем, преобразующих все внешние сигналы во внутриклеточные. Число рецепторов для конкретного первичного мессенджера может варьировать в пределах от 500 до более 100 000 на клетку. Они располагаются на мембране отдаленно друг от друга либо сосредоточены в определенных ее участках.
Рис. 4.18. Передача сигнала на внутриклеточные рецепторы
б) из таблицы выберите липиды, участвующие в:
1. Активации протеинкиназы С
2. Реакции образования ДАГ под действием фосфолипазы С
3. Формировании миелиновых оболочек нервных волокон
в) напишите реакцию гидролиза липида, выбранного вами в п. 2;
г) укажите, какой из продуктов гидролиза участвует в регуляции Са 2 +-канала эндоплазматического ретикулума.
2. Выберите правильные ответы.
На конформационную лабильность белков-переносчиков может влиять:
Б. Изменение электрического потенциала на мембране
B. Присоединение специфических молекул Г. Жирнокислотный состав липидов бислоя Д. Количество переносимого вещества
3. Установите соответствие:
A. Кальциевый канал ЭР Б. Са 2 +-АТФаза
Г. Ка+-зависимый переносчик Са 2 + Д. N+, К+-АТФаза
1. Переносит Na+ по градиенту концентрации
2. Функционирует по механизму облегченной диффузии
3. Переносит Na+ против градиента концентрации
4. Перенесите табл. 4.2. в тетрадь и заполните ее.
Таблица 4.2. Аденилатциклазная и инозитолфосфатная системы
Строение и этапы функционирования | Аденилатциклазная система | Инозитолфосфатная система |
Пример первичного мессенджера системы | ||
Интегральный белок клеточной мембраны, взаимодействующий комплементарно с первичным мессенджером | ||
Белок, активирующий фермент сигнальной системы | ||
Фермент системы, образующий вторичный (е) мессенджер (ы) | ||
Вторичный (ые) мессенджер (-ы) системы | ||
Цитозольный (е) фермент (ы) системы, взаимодействующий (е) с вторичным мессенджером | ||
Механизм регуляции (в данной системе) активности ферментов метаболических путей | ||
Механизмы снижения концентрации вторичных мессенджеров в клетке-мишени | ||
Причина снижения активности мембранного фермента сигнальной системы |
ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Установите соответствие:
A. Пассивный симпорт Б. Пассивный антипорт
B. Эндоцитоз Г. Экзоцитоз
Д. Первично-активный транспорт
1. Транспорт вещества в клетку происходит вместе с частью плазматической мембраны
2. Одновременно в клетку по градиенту концентрации проходят два разных вещества
3. Перенос веществ идет против градиента концентрации
2. Выберите правильный ответ.
ag -Субъединица G-белка, связанная с ГТФ, активирует:
A. Рецептор
Б. Протеинкиназу А
B. Фосфодиэстеразу Г. Аденилатциклазу Д. Протеинкиназу С
3. Установите соответствие.
Функция:
A. Регулирует активность каталитического рецептора Б. Активирует фосфолипазу С
B. Переводит в активную форму протеинкиназу А
Г. Повышает концентрацию Са 2+ в цитозоле клетки Д. Активирует протеинкиназу С
Вторичный мессенджер:
4. Установите соответствие.
Функционирование:
A. Способен к латеральной диффузии в бислое мембраны
Б. В комплексе с первичным мессенджером присоединяется к энхансеру
B. Проявляет ферментативную активность при взаимодействии с первичным мессенджером
Г. Может взаимодействовать с G-белком
Д. В процессе передачи сигнала взаимодействует с фосфолипазой С Рецептор:
1. Инсулина
2. Адреналина
3. Стероидного гормона
5. Выполните «цепное» задание:
а) пептидные гормоны взаимодействуют с рецепторами:
A. В цитозоле клетки
Б. Интегральными белками мембран клеток-мишеней
B. В ядре клетки
Г. Ковалентно связанными с ФИФ 2
б) взаимодействие такого рецептора с гормоном вызывает повышение концентрации в клетке:
A. Гормона
Б. Промежуточных метаболитов
B. Вторичных мессенджеров Г. Ядерных белков
в) этими молекулами могут быть:
A. ТАГ Б. ГТФ
B. ФИФ 2 Г. цАМФ
г) они активируют:
A. Аденилатциклазу
Б. Са 2+ -зависимый кальмодулин
B. Протеинкиназу А Г. Фосфолипазу С
д) этот фермент изменяет скорость метаболических процессов в клетке путем:
A. Повышения концентрации Са 2 + в цитозоле Б. Фосфорилирования регуляторных ферментов
B. Активации протенфосфатазы
Г. Изменения экспрессии генов регуляторных белков
6. Выполните «цепное» задание:
а) присоединение фактора роста (ФР) к рецептору (R) приводит к:
A. Изменению локализации комплекса ФР-R
Б. Димеризации и трансаутофосфорилированию рецептора
B. Изменению конформации рецептора и присоединению к Gs-белку Г. Перемещению комплекса ФР-R
б) такие изменения в структуре рецептора увеличивают его сродство к поверхностному белку мембраны:
Б. Raf Г. Grb2
в) это взаимодействие повышает вероятность присоединения к комплексу цитозольного белка:
А. Кальмодулина B. Ras
Б. ПКС Г. SOS
г) который увеличивает комплементарность комплекса к «заякоренному» белку:
д) изменение конформации «заякоренного» белка снижает его сродство к:
А. цАМФ B. ГТФ
Б. ГДФ Г. АТФ
е) это вещество заменяется на:
А. ГДФ B. АМФ
Б. цГМФ Г. ГТФ
ж) присоединение нуклеотида способствует взаимодействию «заякоренного» белка с:
А. ПКА B. Кальмодулином
з) этот белок входит в состав комплекса, который фосфорилирует:
А. МЕК-киназу В. Протеинкиназу С
Б. Протеинкиназу А Г. МАП-киназу
и) этот фермент в свою очередь активирует:
А. МЕК-киназу В. Протеинкиназу G
Б. Raf-белок Г. МАП-киназу
к) фосфорилирование белка повышает его сродство к:
А. Белкам SOS и Raf В. Регуляторным белкам ядра Б. Кальмодулину Г. Ядерным рецепторам
л) активация этих белков приводит к:
A. Дефосфорилированию ГТФ в активном центре белка Ras Б. Снижению сродства рецептора к фактору роста
B. Повышению скорости матричных биосинтезов Г. Диссоциации комплекса SOS-Grb2
м) вследствие этого:
A. Белок SOS отделяется от рецептора
Б. Происходит диссоциация протомеров рецептора (R)
B. Ras-белок отделяется от Raf-белка
Г. Возрастает пролиферативная активность клетки-мишени.
ЭТАЛОНЫ ОТВЕТОВ К «ЗАДАНИЯМ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ»
1. 1-В, 2-А, 3-Д
3. 1-В, 2-Д, 3-Г
4. 1-В, 2-Г, 3-Б
5. а) Б, б) В, в) Г, г) В, д) Б
6. а) Б, б) Г, в) Г, г) А, д) Б, е) Г, ж) Г, з) А, и) Г, к) В, л) В, м) Г
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ
1. Структура и функции мембран
2. Транспорт веществ через мембраны
3. Особенности строения белков мембран
4. Трансмембранные системы передачи сигналов (аденилатциклазная, инозитолфосфатная, гуанилатциклазная, каталитические и внутриклеточные рецепторы)
5. Первичные мессенджеры
6. Вторичные мессенджеры (посредники)
ЗАДАНИЯ ДЛЯ АУДИТОРНОЙ РАБОТЫ
1. Ознакомьтесь с рис. 4.19 и выполните следующие задания:
а) назовите вид транспорта;
б) установите порядок событий:
A. Cl - по градиенту концентрации выходит из клетки
Б. Протеинкиназа А фосфорилирует R-субъединицу канала
B. Изменяется конформация R-субъединицы
Г. Происходят кооперативные конформационные изменения мембранного белка
Д. Активируется аденилатциклазная система
Рис. 4.19. Функционирование С1 - -канала эндотелия кишечника.
R - регуляторный белок, который переходит в фосфорилированную форму под действием протеинкиназы А (ПКА)
в) сравните функционирование Са 2+ -канала мембраны эндоплазматического ретикулума и Cl - -канала клетки эндотелия кишечника, заполнив табл. 4.3.
Таблица 4.3. Способы регуляции функционирования каналов
Решите задачи
1. Сокращение сердечной мышцы активирует Са 2 +, содержание которого в цитозоле клетки повышается за счет функционирования цАМФ-зависимых переносчиков цитоплазматической мембраны. В свою очередь, концентрация цАМФ в клетках регулируется двумя сигнальными молекулами - адреналином и ацетилхолином. Причем известно, что адреналин, взаимодействуя с β 2 -адренорецепторами, повышает концентрацию цАМФ в клетках миокарда и стимулирует сердечный выброс, а ацетилхолин, взаимодействуя с М 2 -холинорецепторами, снижает уровень цАМФ и сократимость миокарда. Объясните, почему два первичных мессенджера, используя одну и ту же систему трансдукции сигнала, вызывают различный клеточный ответ. Для этого:
а) представьте схему передачи сигнала для адреналина и ацетилхолина;
б) укажите различие в каскадах передачи сигналов этих мессенджеров.
2. Ацетилхолин, взаимодействуя с М 3 -холинорецепторами слюнных желез, стимулирует выход Са 2+ из ЭР. Повышение концентрации Са 2+ в цитозоле обеспечивает экзоцитоз секреторных гранул и высвобождение в слюнной проток электролитов и небольшого количества белков. Объясните, как регулируется работа Са 2+ -каналов ЭР. Для этого:
а) назовите вторичный мессенджер, обеспечивающий открытие Са 2+ -каналов ЭР;
б) напишите реакцию образования вторичного мессенджера;
в) представьте схему трансмембранной передачи сигнала ацетилхолина, в ходе активации которой образуется регуляторный лиганд Са 2+ -кана-
3. Исследователи рецептора инсулина установили значительное изменение в гене белка - одного из субстратов инсулинового рецептора. Как нарушение в структуре этого белка скажется на функционировании системы передачи сигнала инсулина? Для ответа на вопрос:
а) приведите схему трансмембранной передачи сигнала инсулина;
б) назовите белки и ферменты, которые активирует инсулин в клеткахмишенях, укажите их функцию.
4. Белок Ras является «заякоренным» белком цитоплазматической мембраны. Функцию «якоря» выполняет 15-углеродный остаток фарнезила Н 3 С-(СН 3)С=СН-СН 2 -[СН 2 -(СН 3)С=СН-СН 2 ] 2 -, который присоединяется к белку ферментом фарнезилтрансферазой в ходе посттрансляционной модификации. В настоящее время ингибиторы этого фермента проходят клинические испытания.
Почему использование этих препаратов приводит к нарушению трансдукции сигнала ростовых факторов? Для ответа:
а) представьте схему передачи сигнала с участием Ras-белков;
б) объясните функцию Ras-белков и последствия нарушения их ацилирования;
в) предположите, для лечения каких заболеваний были разработаны эти препараты.
5. Стероидный гормон кальцитриол активирует всасывание пищевого кальция, увеличивая количество белков-переносчиков Са 2+ в клетках кишечника. Объясните механизм действия кальцитриола. Для этого:
а) приведите общую схему передачи сигнала стероидных гормонов и опишите ее функционирование;
б) назовите процесс, который активирует гормон в ядре клетки-мишени;
в) укажите, в каком матричном биосинтезе будут участвовать молекулы, синтезированные в ядре, и где он протекает.
Рис. 3. Схема стимулирования распада гликогена повышением уровня цАМФ
Цитоскелет сигнализирует
Регулируемая цАМФ каскадная схема взаимодействий ферментов кажется непростой, а в действительности устроена еще более сложно. В частности, связавшиеся с первичными мессенджерами рецепторы оказывают влияние на активность аденилатциклазы не непосредственно, а через так называемые G-белки (рис. 4), работающие под контролем гуанинтрифосфорной кислоты (ГТФ).
А что происходит, когда почему-либо нарушается нормальная связь событий? Примером может быть заболевание холерой. Токсин холерного вибриона оказывает воздействие на уровень ГТФ и влияет на активность G-белков. В результате уровень цАМФ в клетках кишечника больных холерой оказывается постоянно высоким, что вызывает переход больших количеств ионов натрия и воды из клеток в просвет кишечника. Следствие этого – изнуряющие поносы и потеря воды организмом.
В норме под воздействием фермента фосфодиэстеразы цАМФ в клетке быстро инактивируется, превращаясь в нециклический аденозинмонофосфат АМФ. Течение другого заболевания – коклюша, вызываемого бактериями Bordetella pertussis, сопровождается образованием токсина, который тормозит превращение цАМФ в АМФ. Отсюда возникают и неприятные симптомы болезни – покраснение горла и доходящий до рвоты кашель.
На активность фосфодиэстеразы, превращающей цАМФ в АМФ, влияют, например, кофеин и теофиллин, что обуславливает стимулирующее действие кофе и чая.
Многообразие эффектов цАМФ и способов регуляции его концентрации в клетках делает его универсальным вторичным мессенджером, играющим ключевую роль в активации различных протеинкиназ.
В разных клетках цАМФ может приводить к совершенно различным эффектам. Это соединение не только принимает участие в распаде гликогена и жиров, но также увеличивает частоту сердечных сокращений, влияет на расслабление мускулатуры, контролирует интенсивность секреции и скорость поглощения жидкостей. Оно является вторичным мессенджером для целого спектра различных гормонов: адреналина, вазопрессина, глюкагона, серотонина, простогландина, тироид-стимулирующего гормона; цАМФ работает в клетках скелетной мускулатуры, сердечной мышцы, в гладких мышцах, почках, печени, в тромбоцитах.
Резонно возникает вопрос: почему же различные клетки реагируют на цАМФ по разному? Можно сформулировать его и иначе: почему при повышении концентрации цАМФ в разных клетках активируются различные протеинкиназы, которые фосфорилируют разные белки? Эту ситуацию можно проиллюстрировать с помощью такой аналогии. Представьте себе, что к двери офиса постоянно подходят различные визитеры – лиганды и первичные мессенджеры. При этом они звонят в один-единственный звонок: раздается сигнал – вторичный мессенджер. Как при этом служащим заведения определить, кто именно пожаловал с визитом и как надо реагировать на данного посетителя?
Загадка ионов кальция
Рассмотрим сначала, что происходит со вторым чрезвычайно распространенным вторичным мессенджером – кальцием, вернее его ионами. Впервые их ключевая роль в ряде биологических реакций была показана еще в 1883 г. когда Сидней Рингер заметил, что изолированные мышцы лягушки не сокращаются в дистиллированной воде. Чтобы в ответ на электрическую стимуляцию мышца сократилась, ей необходимо присутствие в окружающей ее среде ионов кальция.
Теперь последовательность основных событий, происходящих при сокращении скелетной мускулатуры, хорошо известна (рис. 5). В ответ на электрический импульс, который доходит до мышцы по аксону нервной клетки, внутри мышечной клетки – миофибриллы – открываются резервуары ионов кальция – мембранные цистерны, в которых концентрация ионов кальция может быть выше, чем в цитоплазме, в тысячу и более раз (рис. 6). Высвободившийся кальций соединяется с белком тропонином С, который связан с выстилающими внутреннюю поверхность клетки актиновыми филаментами. Тропонин (рис. 7) играет роль блокатора, препятствующего скольжению миозиновых нитей по актиновым филаментам. В результате присоединения кальция к тропонину блок отсоединяется от нити, миозин скользит по актину, и мышца сокращается (рис. 8). Как только акт сокращения заканчивается, специальные белки – кальциевые АТФазы – закачивают ионы кальция обратно во внутриклеточные резервуары.
На концентрацию внутриклеточного кальция оказывают влияние не только нервные импульсы, но и другие сигналы. Например, это может быть уже знакомый нам цАМФ. В ответ на появление адреналина в крови и соответствующее повышение концентрации цАМФ в клетках сердечной мышцы в них высвобождаются ионы кальция, что приводит к учащению сердцебиения.
Вещества, оказывающие влияние на кальций, могут содержаться также непосредственно в клеточной мембране. Как известно, мембрана состоит из фосфолипидов, среди которых один – фосфоинозитол-4, 5-дифосфат – играет особую роль. Помимо инозита молекула фосфоинозитол-4, 5-дифосфата содержит две длинные углеводородные цепи, состоящие из 20 и 17 атомов углерода (рис. 9). Под воздействием определенных внеклеточных сигналов и под контролем уже знакомых читателям G-белков они отсоединяются, в результате чего образуются две молекулы – диацилглицерин и инозитолтрифосфат. Последний участвует в высвобождении внутриклеточного кальция (рис. 10). Такого рода сигнализация используется, например, в оплодотворенной икре шпорцевой лягушки.
Проникновение первого же из множества спермиев в готовую для оплодотворения икринку вызывает образование в ее мембране инозитолтрифосфата. В результате ионы кальция высвобождаются из внутренних резервуаров и оболочка оплодотворенной яйцеклетки мгновенно разбухает, отсекая путь внутрь яйцеклетки менее удачливым или менее расторопным сперматозоидам.
Как же такое простое вещество, как ион кальция, может регулировать активность белков? Выяснилось, что он связывается внутри клетки со специальным белком кальмодулином (рис. 11). Этот достаточно крупный белок, состоящий из 148 аминокислотных остатков, как и цАМФ, обнаружен практически во всех изученных клетках.
Гидрофильные гормоны построены из аминокислот, или являются производными аминокислот. Они депонируются в больших количествах в клетках желез внутренней секреции и поступают в кровь по мере необходимости. Большинство этих веществ переносятся в кровотоке без участия переносчиков. Гидрофильные гормоны не способны проходить через липофильную клеточную мембрану, поэтому действуют на клетки-мишени за счет связывания с рецептором на плазматической мембране .
Рецепторы – это интегральные мембранные белки, которые связывают сигнальные вещества на внешней стороне мембраны и за счет изменения пространственной структуры генерируют новый сигнал на внутренней стороне мембраны.
Различают три типа рецепторов:
Связывание гидрофильного гормона с мембранным рецептором влечет за собой один из трех вариантов внутриклеточного ответа: 1) рецепторные тирозинкиназы активируют внутриклеточные протеинкиназы, 2) активация ионных каналов ведет к изменению концентрации ионов, 3) активация рецепторов, сопряженных с ГТФ-связывающими белками, запускает синтез веществ-посредников, вторичных мессенджеров . Все три системы передачи гормонального сигнала взаимосвязаны.
Рассмотрим преобразование сигнала G-белками, поскольку этот процесс играет ключевую роль в механизме действия целого ряда гормонов . G-белки переносят сигнал с рецептора третьего типа на белки-эффекторы. Они состоят из трех субъединиц: α, β и g. α-субъединица может связывать гуаниновые нуклеотиды (ГТФ, ГДФ). В неактивном состоянии G-белок связан с ГДФ . При связывании гормона с рецептором, последний меняет свою конформацию таким образом, что может связать G-белок. Соединение G-белка с рецептором приводит к обмену ГДФ на ГТФ . При этом происходит активация G-белка, он отделяется от рецептора и диссоциирует на α-субъединицу и β, g-комплекс. ГТФ-α-субъединица связывается с белками-эффекторами и изменяет их активность, в результате чего происходит синтез вторичных посредников (мессенджеров): цАМФ, цГМФ, диацилглицерин (ДАГ), инозит-1,4,5-трифосфат (И-3-Ф) и др. Медленный гидролиз связанного ГТФ до ГДФ переводит α-субъединицу в неактивное состояние и она вновь ассоциируется с β, g-комплексом, т.е. G-белок возвращается в исходное состояние.
Вторичные мессенджеры , или посредники, это внутриклеточные вещества, концентрация которых строго контролируется гормонами, нейромедиаторами и другими внеклеточными сигналами. Наиболее важными вторичными мессенджерами являются цАМФ, цГМФ, диацилглицерин (ДАГ), инозит-1,4,5-трифосфат (И-3-Ф), монооксид азота.
Механизм действия цАМФ . цАМФ является аллостерическим эффектором протеинкиназ А (ПК-А) и ионных каналов. В неактивном состоянии ПК-А является тетрамером, две каталитические субъединицы (К-субъединицы) которого ингибированы регуляторными субъединицами (R-субъединицы). При связывании цАМф R-субъединицы диссоциируют из комплекса и К-субъединицы активируются.
Активный фермент может фосфорилировать определенные остатки серина и треонина в более чем 100 различных белках и факторах транскрипции. В результате фосфорилирования изменяется функциональная активность этих белков.
Если связать все воедино, то получается следующая схема аденилатциклазной системы:
Активация аденилатциклазной систтемы длится очень короткое время, потому что G-белок после связывания с аденилатциклазой начинает проявлять ГТФ-азную активность. После гидролиза ГТФ G-белок восстанавливает свою конформацию и перестает активировать аденилатциклазу. В результате прекращается реакция образования цАМФ.
Кроме участников аденилатциклазной системы в некоторых клетках-мишенях имеются белки-рецепторы, связанные с G-белками, которые приводят к торможению аденилатциклазы. При этом комплекс “GTP-G-белок” ингибирует аденилатциклазу.
Когда останавливается образование цАМФ, реакции фосфорилирования в клетке прекращаются не сразу: пока продолжают существовать молекулы цАМФ - будет продолжаться и процесс активации протеинкиназ. Для того, чтобы прекратить действие цАМФ, в клетках существует специальный фермент - фосфодиэстераза, который катализирует реакцию гидролиза 3",5"-цикло-АМФ до АМФ.
Некоторые вещества, обладающие ингибирующим действием на фосфодиэстеразу, (например, алкалоиды кофеин, теофиллин), способствуют сохранению и увеличению концентрации цикло-АМФ в клетке. Под действием этих веществ в организме продолжительность активации аденилатциклазной системы становится больше, то есть усиливается действие гормона.
Кроме аденилат-циклазной или гуанилатциклазной систем существует также механизм передачи информации внутри клетки-мишени с участием ионов кальция и инозитолтрифосфата.
Инозитолтрифосфат - это вещество, которое является производным сложного липида - инозитфосфатида. Оно образуется в результате действия специального фермента - фосфолипазы “С”, который активируется в результате конформационных изменений внутриклеточного домена мембранного белка-рецептора.
Этот фермент гидролизует фосфоэфирную связь в молекуле фосфатидил-инозитол-4,5-бисфосфата и в результате образуются диацилглицерин и инозитолтрифосфат.
Известно, что образование диацилглицерина и инозитолтрифосфата приводит к увеличению концентрации ионизированного кальция внутри клетки. Это приводит к активации многих кальций-зависимых белков внутри клетки, в том числе активируются различные протеинкиназы. И здесь, как и при активации аденилатциклазной системы, одной из стадий передачи сигнала внутри клетки является фосфорилирование белков, которое в приводит к физиологическому ответу клетки на действие гормона.
В работе фосфоинозитидного механизма передачи сигналов в клетке-мишени принимает участие специальный кальций-связывающий белок - кальмодулин. Это низкомолекулярный белок (17 кДа), на 30% состоящий из отрицательно заряженных аминокислот (Глу, Асп) и поэтому способный активно связывать Са +2 . Одна молекула кальмодулина имеет 4 кальций-связывающих участка. После взаимодействия с Са +2 происходят конформационные изменения молекулы кальмодулина и комплекс “Са +2 -кальмодулин” становится способным регулировать активность (аллостерически угнетать или активировать) многие ферменты - аденилатциклазу, фосфодиэстеразу, Са +2 ,Мg +2 -АТФазу и различные протеинкиназы.
В разных клетках при воздействии комплекса “Са +2 -кальмодулин” на изоферменты одного и того же фермента (например, на аденилатциклазу разного типа) в одних случаях наблюдается активация, а в других - ингибирование реакции образования цАМФ. Такие различные эффекты происходят потому, что аллостерические центры изоферментов могут включать в себя различные радикалы аминокислот и их реакция на действие комплекса Са +2 -кальмодулин будет отличаться.
Таким образом, в роли "вторых посредников" для передачи сигналов от гормонов в клетках-мишенях могут быть:
Циклические нуклеотиды (ц-АМФ и ц-ГМФ);
Ионы Са;
Комплекс “Са-кальмодулин”;
Диацилглицерин;
Инозитолтрифосфат
Механизмы передачи информации от гормонов внутри клеток-мишеней с помощью перечисленных посредников имеют общие черты:
1. одним из этапов передачи сигнала является фосфорилирование белков;
2. прекращение активации происходит в результате специальных механизмов, инициируемых самими участниками процессов, - существуют механизмы отрицательной обратной связи.
Гормоны являются основными гуморальными регуляторами физиологических функций организма, и в настоящее время хорошо известны их свойства, процессы биосинтеза и механизмы действия.
Ответ клетки-мишени на действие гормона формируется созданием гормонрецепторного (ГР) комплекса, что приводит к активации самого рецептора, инициации ответа клетки. Гормон адреналин при взаимодействии с рецептором открывает мебранная каналы, a Na + - входной ионный ток обусловливает функцию клетки. Однако большинство гормонов открывают или закрывают мембранные каналы не самостоятельно, а во взаимодействии с G-белком.
Механизм действия гормонов на клетки-мишени связан с их химическим строением:
■ водорастворимые гормоны - белки и полипептиды, а также производные аминокислоты - катехоламины, взаимодействуют с рецепторами мембраны клетки-мишени, образуя комплекс «гормон - рецептор" (ГР). Возникновение этого комплекса приводит к образованию вторичного или внутриклеточного посредника (мессенджера), с которым связаны изменения функции клетки. Количество рецепторов на поверхности мембраны клетки-мишени составляет примерно 104-105;
■ жирорастворимые гормоны - стероидные - проходят сквозь мембрану клетки-мишени и взаимодействуют с плазматическими рецепторами, количество которых колеблется от 3000 до 104, образуя комплекс ГР, который далее поступает к мембране ядра. Стероидные гормоны и производные аминокислоты тирозина - тироксин и трийодтиронин - проникают через ядерную мембрану и взаимодействуют с ядерными рецепторами, соединенными с одной или более хромосом, следствием чего являются изменения синтеза белка в клетке-мишени.
Согласно современным представлениям, действие гормонов обусловлена стимуляцией или угнетением каталитической функции некоторых ферментов в клетках-мишенях. Этот эффект может достигаться двумя путями:
■ взаимодействием гормона с рецепторами поверхности клеточной мембраны и запуска цепи биохимических превращений в мембране и цитоплазме;
■ проникновением гормона через мембрану и связывания с рецепторами цитоплазмы, после чего гормонрецепторний комплекс проникает в ядро и органеллы клетки, где и реализует свой регуляторный эффект путем синтеза новых ферментов.
Первый путь приводит к активации мембранных ферментов и образования вторичных мессенджеров. На сегодня известно четыре системы вторичных мессенджеров:
■ аденилатциклаза - цАМФ;
■ гуанилатциклаза - цГМФ;
■ фосфолипаза - инозитолтрифосфат;
■ кальмодулин - ионизированный Са 2+.
Второй путь влияния на клетки-мишени - комплексирования гормона с рецепторами, которые содержатся в ядре клетки, ведет к активации или торможения ее генетического аппарата.
Гормоны, связываясь с рецепторами мембраны клетки-мишени, образуют комплекс "гормон - рецептор" ГР (шаг 1) (рис. 6.3). Конформационные изменения рецептора активируют стимулирующий G-белок (объединенный с рецептором), который представляет собой комплекс из трех субъединиц (α-, β-, γ-) и гуанозиндифосфат (ГДФ). замена
ТАБЛИЦА 6.11. Краткая характеристика гормонов
|
Где продуцируются гормоны |
Название гормона |
сокращенное название |
Влияния на клетки-мишени |
|||
|
гипоталамус |
Тиреотропин-рилизинг-гормон |
Стимулирует продукцию аденогипофизом тиреотропину |
||||
|
гипоталамус |
Кортикотропин-рилизинг-гормон |
Стимулирует продукцию аденогипофизом АКТГ |
||||
|
гипоталамус |
Гонадотропин-рилизинг-гормон |
Стимулирует продукцию аденогипофизом лютеинизирующего (ЛГ) и фолликулостимулирующего (ФСП гормонов |
||||
|
гипоталамус |
Рилизинг-фактор гормона роста |
Стимулирует продукцию аденогипофизом соматотропина - гормона роста |
||||
|
гипоталамус |
соматостатин |
Подавляет продукцию аденогипофизом гормона роста |
||||
|
гипоталамус |
Пролактин-ингибирующий фактор (допамин) |
Подавляет продукцию аденогипофизом пролактина |
||||
|
гипоталамус |
Пролактинстимулюючий фактор |
Стимулирует продукцию аденогипофизом пролактина |
||||
|
гипоталамус |
окситоцин |
Стимулирует выделение молока, сокращение матки |
||||
|
гипоталамус |
Вазопрессин - антидиуретический гормон |
Стимулирует реабсорбцию воды в дистальном отделе нефрона |
||||
|
Передняя доля гипофиза |
ТТГ, или тиреостимулирующие гормон |
ТТГ абоТСГ |
Стимулирует синтез и секрецию щитовидной железой тироксина, трийодтиронина |
|||
|
Передняя доля гипофиза |
Стимулирует секрецию корой надпочечников глюкокортикоидов (кортизола) |
|||||
|
Передняя доля гипофиза |
фолликулостимулирующий гормон |
Стимулирует рост фолликулов и секрецию эстрогенов яичниками |
||||
|
Передняя доля гипофиза |
лютеинизирующий гормон |
Стимулирует овуляцию, образование желтого тела, а также синтез эстрогенов и прогестерона яичниками |
||||
|
Передняя доля гипофиза |
Гормон роста, или соматотропный гормон |
Стимулирует синтез белка и рост в целом |
||||
|
Передняя доля гипофиза |
пролактин |
Стимулирует продукцию и секрецию молока |
||||
|
Передняя доля гипофиза |
β-липотропин |
|||||
|
Промежуточная доля гипофиза |
Мелзнотропин |
Стимулирует синтез меланина у рыб, амфибий, рептилий (у людей стимулирует рост скелета (оссификация костей), увеличивает интенсивность метаболизма, теплопродукции, увеличивает утилизацию клетками белков, жиров, углеводов, стимулирует становление умственных функций после рождения ребенка |
||||
|
щитовидная железа |
L-тироксин |
|||||
|
трийодтиронин |
||||||
|
Кора надпочечников (сетчатая зона) |
половые гормоны |
Стимулируют продукцию дигидрогепиандростерону и андростендиона |
||||
|
Кора надпочечников (пучковая зона) |
Глюкокортикоидов (кортизол) |
Стимулирует глюконеогенез, противовоспалительное действие, подавляет иммунную систему |
||||
|
Кора надпочечников (клубочковая зона) |
альдостерон |
Увеличивает реабсорбцию ионов Na +, секрецию ионов К + в канальцах нефрона |
||||
|
мозговая вещество надпочечников |
Адреналин, норадреналин |
Активация альфа-, бета-адренорецепторов |
||||
|
эстрогены |
Рост и развитие женских половых органов, пролиферативная фаза менструального цикла |
|||||
|
прогестерон |
Секреторная фаза менструального цикла |
|||||
|
тестостерон |
Сперматогенез, вторичные половые мужские признаки |
|||||
|
Пара щитовидные железы |
Парат гормон (паратиреоидний гормон) |
Увеличивает концентрацию ионов Са 2+ в крови (деминерализация костей) |
||||
|
Щитовидная железа (С-клетки) |
кальцитонин |
Уменьшает концентрацию ионов Ca2 + в крови |
||||
|
Активация в почках |
1,25-дигидроксихолекальциферол (кальцитриол) |
Увеличивает всасывание в кишечнике ионов Са 2+ |
||||
|
Поджелудочная железа - бета-клетки |
Уменьшает концентрацию глюкозы в крови |
|||||
|
Поджелудочная железа - альфа-клетки |
глюкагон |
Увеличивает концентрацию глюкозы в крови |
||||
|
плацента |
Хориональний гонадотропин человека |
Увеличивает синтез эстрогена и прогестерона |
||||
|
плацента |
Плацентарный лактоген человека |
Действует подобно гормона роста и пролактина во время беременности |
||||
РИС. 6.3. Схема механизма действия гормона с образованием вторичного внутриклеточного посредника цАМФ. ГДФ - гуаниндифосфат, ГТФ - гуанинтрифосфат
ГДФ на гуанозинтрифосфат ГТФ (шаг 2) приводит к отрыву α-субъединицы, которая тут же взаимодействует с другими сигнальными белками, изменяя активность ионных каналов или клеточных ферментов - аденилатциклазы или фосфолипазы С - и функцию клетки.
Активированный мембранный фермент аденилатциклаза превращает АТФ на вторичный посредник - циклического аденозинмонофосфата цАМФ (шаг 3) (см. Рис. 6.3), который в свою очередь активирует фермент протеин киназу А (шаг 4), что приводит к фосфорилирования специфических белков (шаг 5) , следствием чего является изменение физиологической функции (шаг 6), например, образование новых мембранных каналов для ионов кальция, что приводит к росту силы сердечных сокращений.
Вторичный посредник цАМФ распадается под воздействием фермента фосфодиэстеразы в неактивной формы 5"-АМФ.
Некоторые гормоны (натрийуретический) взаимодействуют с тормозными G-белками, что приводит к снижению активности мембранных ферментов аденилатциклазы, уменьшение функции клетки.
Гормон образует комплекс с рецептором мембраны - ОС (шаг 1) (рис. 6.4) и через G-белок (шаг 2) активирует фосфолипазу С, прикрепленную к внутренней поверхности рецептора (шаг 3).
Под влиянием фосфолипазы С, которая гидролизует мембранные фосфолипиды (фосфатидилинозитолбифосфат), образуются два вторичных посредников - диацилглицерол (ДГ) и инозитол-3-фосфат (ИФ3) (шаг 4).
Вторичный посредник ИФ3 мобилизует выход ионов Са 2+ из митохондрий и эндоплазматического ретикулума (шаг 5), которые ведут себя как вторичные посредники. Ионы Ca2 + вместе с ДГ (липидный вторичный посредник) активируют фермент протеинкиназа С (шаг 6), которая фосфорилирует белки и вызывает изменение физиологических функций клетки-мишени.
Действие гормонов с помощью систем "кальций - кальмодулин", который выступает в роли вторичного посредника. Кальций при проникновении в клетку связывается с кальмодулином и активирует его. Активированный кальмодулин, в свою очередь, повышает активность протеинкиназы, которая приводит к фосфорилирования белков, изменения функций клетки.
Жирорастворимые стероидные гормоны проходят сквозь мембрану клетки-мишени (шаг 1) (рис. 6.5), где связываются с белками-рецепторами цитоплазмы. Образованный комплекс ГР (шаг 2) диффундирует в ядро и связывается со специфическими участками ДНК хромосомы (шаг 3), активируя процесс транскрипции путем образования мРНК (шаг 4). мРНК переносит матрицу в цитоплазму, где обеспечивает процессы трансляции на рибосомах (шаг 5), синтез новых белков (шаг 6), что приводит к изменению физиологических функций.
Жирорастворимые тиреоидные гормоны - тироксин и трийодтиронин - проникают в ядро, где связывается с белком-рецептором, который представляет собой протеины, которые находятся на хромосомах ДНК. Эти рецепторы контролируют функцию как промоутеров, так и операторов генов.
Гормоны активируют генетические механизмы, которые находятся в ядре, благодаря чему производится более 100 типов клеточных белков. Многие из них являются ферментами, которые повышают метаболическую активность клеток организма. Однократно прореагировав с внутриклеточными рецепторами, тиреоидные гормоны обеспечивают контроль экспрессии гена на несколько недель.
