Рецепторы мембран вторичные посредники их роль. Вторичные посредники

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.

Механизмы вторичных посредников

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.

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

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

Выделяют 3 группы вторичных посредников.

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

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

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

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

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

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

1) Лиганд связывается с рецептором на мембране клетки.

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

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

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

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

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

(Более подробная схема):

5. Классификация мембранных рецепторов.

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

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

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

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

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

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

ΔG" = ΔG 0 " + RT ln [(C+D)/(A+B)],

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

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

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

Эффекторами - конкурентные или аллостерические регуляторы.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1. Присоединение Г+Р

2. Фосфорилирование (убиквитинилирование/пальмитинирование рецептора

3. Десенситизация (бета-аррестин)

4. Эндоцитоз (клатрин-зависимый)

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

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

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

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

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

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

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

Вопросы для подготовки к занятию:

1. Гормональная регуляция как механизм межклеточной и межорганной координации обмена веществ. Основные механизмы регуляции метаболизма: изменение активности ферментов в клетке, изменение количества ферментов в клетке (индукция или репрессия синтеза), изменение проницаемости клеточных мембран.

2. Гормоны, общая характеристика, классификация гормонов по химическому строению и биологическим функциям. Механизм действия гормонов белковой природы.

3. Механизм действия гормонов стероидной природы и тироксина.

4. Гормоны гипоталамуса. Люлиберин, соматостатин, тиролиберин.

5. Гормоны гипофиза. Гормоны задней доли гипофиза: вазопрессин, окситоцин.

6. Строение синтез и метаболизм йодтиронинов.

7. Влияние йодтиронинов на обмен веществ. Гипо- и гипертиреозы.

8. Гормоны мозгового слоя надпочечников. Строение, влияние на обмен веществ. Биосинтез катехоламинов.

9. Гормон роста, строение, функции.

10. Гормоны околощитовидных желез. Регуляция фосфорно-кальциевого обмена.

11. Инсулин. Глюкагон. Влияние на обмен веществ.

12. Гормональная картина инсулинзависимого сахарного диабета

13. Гормональная картина инсулиннезависимого сахарного диабета

14. Стероидные гормоны. Глюкокортикоиды.

15. Половые гормоны.

16. Ренин-ангиотензиновая система.

17. Калликреин-кининовая система.

Выполните задания:

1. Либерины:

А. Небольшие пептиды

Б. Взаимодействуют с цитоплазматическими рецепторами.

В. Активируют секрецию тропных гормонов.

Г. Передают сигнал на рецепторы передней доли гипофиза.

Д. Вызывают секрецию инсулина.

2. Выберите неправильное утверждение. цАМФ:

А. Участвует в мобилизации гликогена.

Б. Второй вестник сигнала.

В. Активатор протеинкиназы.

Г. Кофермент аденилатциклазы.

Д. Субстрат фосфодиэстеразы.

3. Расположите события, происходящие при синтезе йодтиронинов, в необходимом порядке, используя цифровые обозначения:

А. Йодирование остатков тирозина в тироглобулине.

Б. Синтез тироглобулина.

В. Конденсация йодированных остатков тирозина.

Г. Транспорт йодтиронинов в клетки-мишени.

Д. Образование комплекса с тироксинсвязывающим белком.

4. Расположите перечисленные метаболиты в порядке их образования:

А. 17-ОН-прогестерон.

Б. Прегненолон.

В. Холестерин.

Г. Прогестерон

Д. Кортизол.

5. Выберите гормон, синтез и секреция которого возрастает в ответ на повышение осмотического давления:

А. Альдостерон.

Б. Кортизол.

В. Вазопрессин.

Г. Адреналин.

Д. Глюкагон.

6. Под влиянием инсулина в печени ускоряются:

А. Биосинтез белков

Б. Биосинтез гликогена.

В. Глюконеогенез.

Г. Биосинтез жирных кислот.

Д. Гликолиз.

7. Для трехдневного голодания верно все ниже перечисленное, кроме:

А. Инсулин-глюкагоновый индекс снижен.

Б. Скорость глюконеогенеза из аминокислот увеличивается.

В. Скорость синтеза ТАГ в печени снижается.

Г. Скорость b-окисления в печени снижается.

Д. Концентрация кетоновых тел в крови выше нормы.

8. При сахарном диабете в печени происходит:

А. Ускорение синтеза гликогена.

Б. Снижение скорости глюконеогенеза из лактата.

В. Снижение скорости мобилизации гликогена.

Г. Повышение скорости синтеза ацетоацетата.

Д. Повышение активности ацетил-КоА-карбоксилазы.

9. При ИНСД у больных наиболее часто обнаруживаются:

А. Гиперглюкоземия.

Б. Снижение скорости синтеза инсулина.

В. Концентрация инсулина в крови в норме или выше нормы.

Г. Антитела к b-клеткам поджелудочной железы.

Д. Микроангиопатии.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14

Тема: Построение и анализ гликемических кривых

Цель: Изучить промежуточный обмен углеводов, роль углеводов в энергетическом обмене. Клинико-диагностическое значение метода сахарной нагрузки при сахарном диабете, аддисоновой болезни, гипофункции щитовидной железы и т.д.

Принцип метода : Определение глюкозы основано на реакции, катализируемой глюкозооксидазой:

глюкоза + О 2 глюконолактон + Н 2 О 2

Образующаяся в ходе данной реакции перекись водорода вызывает окисление субстратов пероксидазы с образованием окрашенного продукта.

Метод сахарной нагрузки : Утром натощак у больного берут кровь из пальца и определяют концентрацию глюкозы крови. После этого дают выпить 50 - 100 г глюкозы в 200 мл теплой кипяченой воды (1 г глюкозы на 1 кг веса) в течение не более 5 минут. Затем повторно исследуют содержание глюкозы в крови, беря из пальца кровь через каждые 30 минут в течение 2-3 часов. Строят график в координатах: время – концентрация глюкозы в сыворотке крови, по виду графика ставят или уточняют диагноз.

Ход работы: В образцах сыворотки (до и после приема глюкозы) определяют концентрацию глюкозы. Для этого в серию пробирок вносят 2 мл рабочего реактива (фосфатный буфер, субстраты пероксидазы + глюкозооксидазы в отношении 40:1). В одну из пробирок вносят 0,05 мл стандартного раствора глюкозы концентрации 10 ммоль/л. В другие - по 0,05 мл сыворотки крови, взятой по методу сахарной нагрузки. Растворы встряхивают и инкубируют при комнатной температуре 20 мин.

После инкубации измеряют оптическую плотность растворов на ФЭК при длине волны 490 нм. Кювета с длиной оптического пути, равной 5 мм. Раствор сравнения - рабочий реактив.

Расчет концентрации глюкозы:

С = 10 ммоль/л

где Е оп - оптическая плотность в образцах сыворотки;

Е ст - оптическая плотность стандартного раствора глюкозы

Результат анализа:

График:

Вывод:

Дата: Подпись преподавателя:

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ

Контрольная работа3 Гормональная регуляция обмена веществ

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

• цитокины

  нейротрансмиттеры

  факторы роста

  хемокины

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

Для обеспечения рецепторной функции молекулы белков должны отвечать ряду требований:

Обладать высокой избирательностью к лиганду;

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

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

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

Клеточные рецепторы делятся на следующие классы:

мембранные

• рецепторные тирозинкиназы

  рецепторы, сопряжённые с G-белками

  ионные каналы

цитоплазматические

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

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

белки-преобразователи, связанные с рецепторами

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

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

4.3.2. Вторичные посредники

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

Ионы кальция(Ca2+);

циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) и циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ)

инозитолтрифосфат

липофильные молекулы (например, диацилглицерол);

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

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

Механизм передачи сигнала предполагает примерно следующую схему:

Взаимодействие внешнего агента (стимула) с клеточным рецептором,

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

Образование вторичных посредников,

Активация посредниками белков-мишеней, вызывающих генерацию следующих посредников,

Исчезновение посредника.

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

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

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

Контрольные задания

Происхождение и эволюция апоптоза у разных групп организмов.

Характеристика и основные пути индукции основных фаз апоптоза.

Основные механизмы регуляции апоптоза.

Патологии, обусловленные нарушениями процесса апоптоза.

Основные типы молекулярно-генетических маркеров.

История открытия, методика проведения полимеразно-цепной реакции.

Особенности проведения и применения основных разновидностей ПЦР.

Значение сигнальной трансдукции при межклеточных и внутриклеточных взаимодействиях.

Механизмы активации рецепторных белков.

Механизмы передачи сигналов при межклеточном взаимодействии.

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

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

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

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

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

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

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

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

■ аденилатциклаза - цАМФ;

■ гуанилатциклаза - цГМФ;

■ фосфолипаза - инозитолтрифосфат;

■ кальмодулин - ионизированный Са 2+.

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

Мембранные рецепторы и вторичные посредники (мессенджеры)

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

ТАБЛИЦА 6.11. Краткая характеристика гормонов

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

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

Действие гормонов на клетки-мишени с образованием вторичного посредника цАМФ

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

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

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

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

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

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

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

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

Действие гормонов на генетический аппарат клетки

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

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

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