Внутриклеточные сигналы и рецепторы передачи сигнала
Обновлено: 20.05.2024
Когда около 25 лет тому назад я впервые приступил к изучению действия гормонов, среди биологов было широко распространено убеждение, что действие гормонов бессмысленно изучать вне организованной клеточной структуры. Однако поразмыслив об истории биохимии, мне вполне реальной показалась возможность того, что гормоны могут действовать на молекулярном уровне.
Эрл Уилбур Сазерленд, Нобелевская лекция, 1971
12. БИОСИГНАЛИЗАЦИЯ
Способность клеток получать сигналы из пространства, находящегося за пределами плазматической мембраны, и отвечать на них является основополагающей для жизни. Бактериальные клетки получают постоянный входной сигнал от мембранных белков, работающих как рецепторы информации об окружающей среде, определяя там pH. осмотическую силу, наличие пищи, кислорода и света, а также присутствие отравляющих химических веществ, организмов-хищников или конкурентов в добыче пищи. Эти сигналы вызывают соответствующие ответы, такие как движение в направлении пищи или прочь от токсических веществ или образование покоящихся спор в лишенной питания среде. В многоклеточных организмах клетки, выполняющие разные функции, обмениваются множеством сигналов. Клетки растений отвечают на ростовые гормоны и на интенсивность солнечного света. Животные клетки обмениваются информацией о концентрации ионов и глюкозы во внеклеточных жидкостях, при этом в разных тканях протекают взаимозависимые метаболические процессы, а в зародыше организуется правильное расположение клеток в процессе развития. Во всех этих случаях сигнал представляет собой информацию, которая распознается и принимается специфическими рецепторами и преобразовывается в клеточный ответ, всегда включающий в себя химический процесс. Это превращение информации в химические реакции называется передачей (трансдукцией) сигнала и является универсальным свойством живых клеток.
12.1. Общие свойства систем передачи сигналов
Передача сигналов происходит в высшей степени специфично и с высокой чувствительностью. Специфичность достигается точной молекулярной комплементарностью между молекулами сигнального вещества и рецептора (рис. 12-1, а), опосредуемой теми же типами слабых (нековалентных) сил, которые опосредуют фермент- субстратные взаимодействия и взаимодействие антиген-антитело. Многоклеточные организмы имеют дополнительный уровень специфичности, так как рецепторы для данного сигнала или внутриклеточные мишени для данного сигнального пути присутствуют только в определенных типах клеток. Например, гормон, высвобождающий тиреотропин, запускает ответы в клетках передней доли гипофиза, но не в гепатоцитах (клетках печени), которые не имеют рецепторов для этого гормона. Адреналин изменяет метаболизм гликогена в гепатоцитах, но не в эритроцитах; хотя оба типа клеток имеют рецепторы для этого гормона, но клетки печени содержат гликоген и метаболизирующий его фермент, который стимулируется адреналином, в эритроцитах их нет.
Рис. 12-1. Четыре отличительных свойства систем передачи сигнала.
Чрезвычайно высокую чувствительность передатчиков (трансдукторов) сигнала обеспечивают три фактора: высокое сродство рецепторов к сигнальным молекулам, кооперативность (часто, но не всегда) лиганд-рецепторного взаимодействия и усиление сигнала ферментативными каскадами. Сродство между сигнальным
веществом (лигандом) и рецептором можно выразить с помощью константы диссоциации Кd, обычно ≤10 -10 М, т. е. рецептор обнаруживает пикомолярные концентрации сигнального вещества. Лиганд-рецепторные взаимодействия оцениваются количественно анализом по Скэтчарду — определяют сродство (Кd) и число лиганд-связывающих центров в рецепторе (доп. 12-1).
Кооперативность лиганд-рецепторного взаимодействия приводит к сильной активации рецептора при малых изменениях концентрации лиганда (вспомним эффект кооперативности при связывании кислорода гемоглобином; рис. 5-12). Усиление ферментативными каскадами (амплификация) происходит, когда фермент, связанный с сигнальным рецептором, активируется и в свою очередь катализирует активацию многих молекул второго фермента, каждая из которых активирует много молекул третьего фермента и т. д. (рис. 12-1, б). Такие каскады могут в течение миллисекунд обеспечивать усиление величины на несколько порядков. Ответ на поступивший сигнал должен в какой-то момент прекращаться, чтобы вызванные реакции соответствовали силе исходного сигнала.
Дополнение 12-1. МЕТОДЫ. Анализ по Скэтчарду количественно характеризует взаимодействие лиганд-рецептор
Действие гормона в клетке начинается, когда гормон (лиганд, L) специфически и прочно связывается со своим белковым рецептором (R) внутри или на поверхности клетки-мишени. Связывание опосредуется нековалентными взаимодействиями (образование водородных связей, гидрофобное и электростатическое взаимодействие) между комплементарными поверхностями лиганда и рецептора. Взаимодействие рецептор-лиганд приводит к изменению конформации, влияющему на биологическую активность рецептора, который может быть ферментом, регулятором фермента, ионным каналом или регулятором экспрессии гена.
Связывание лиганда и рецептора описывается уравнением
Подобно связыванию фермента и субстрата, такое связывание зависит от концентраций взаимодействующих компонентов и может быть охарактеризовано константой равновесия:
где Кa — константа ассоциации, Кd — константа диссоциации.
Как и связывание фермента с субстратом, связывание лиганд-рецептор является насыщаемым. По мере того как все большее количество лиганда добавляется к фиксированному количеству рецептора, число молекул рецептора, захватываемых лигандом, увеличивается (рис. 1, а). Для грубой оценки лиганд-рецепторного сродства служит концентрация лиганда, необходимая для полунасыщения рецептора. Используя анализ связывания лиганда и рецептора по Скэтчарду, мы можем оценить и константу диссоциации Кd, и число связывающих центров в данном препарате. Когда связывание достигает равновесия, общее число возможных связывающих центров Вmах равно сумме числа незанятых центров ([R]) и числа занятых лигандом центров ([RL]); т. е. Bmах=[R] + [RL]. Число незанятых центров можно выразить как общее число всех центров минус занятые центры: [R] = В|mах — [RL]. Для реакции ассоциации можно теперь записать
Рис. 1. Анализ взаимодействия лиганда с рецептором по Скэтчарду. Радиоактивно меченный лиганд L, например, гормон, в разных концентрациях добавляют к фиксированному количеству рецептора R и определяют фракцию гормона после отделения комплекса гормон-рецептор RL от свободного гормона. a) График [RL] от [L] + [RL] (от суммы свободного и связанного гормона, т. е. весь добавленный гормон) представляет собой гиперболу, восходящую к [RL] при насыщении рецептора. Чтобы контролировать ненасыщаемые неспецифические участки связывания (например, гормоны-эйкозаноиды неспецифически связываются с липидным бислоем), необходима отдельная серия экспериментов по связыванию. Вместе с разбавленным раствором меченого лиганда добавляют большой избыток немеченного гормона. Немеченные молекулы конкурируют с мечеными при специфическом связывании с насыщаемым сайтом на рецепторе, но не при неспецифическом связывании. Чтобы найти величину специфического связывания, надо вычесть неспецифическое связывание из общего. б) Линейный график в координатах [RL]/[L] от [RL] позволяет получить Кd и Вmах для комплекса рецептор-гормон. Сравните эти графики с графиками V0 от [S] и 1/V0 от 1/[S] для фермент- субстратного комплекса (рис. 6-12, доп. 6-1).
Сделав преобразования, получаем отношение связанного лиганда к свободному (несвязанному):
В координатах [связанный лиганд]/[свободный лиганд] — [свободный лиганд] получим прямую с углом наклона -Ка(-1/Кd), которая отсекает на оси абсцисс отрезок, равный Вmах (общее число связывающих сайтов) (рис. 1, б). Когда лиганды представляют собой гормоны, значения Кd находятся в интервале от 10 -9 до 10 -11 М, что соответствует очень прочному связыванию.
Анализ по Скэтчарду надежен для самых простых случаев, по, как и в случае графиков Лайнуивера- Бэрка для ферментов, если рецептор представлен аллостерическим белком, наблюдаются отклонения от линейного вида.
Чувствительность рецепторных систем может изменяться. Когда сигнальное вещество действует продолжительно (непрерывно), происходит десенситизация (потеря чувствительности) рецепторной системы (рис. 12-1, б); когда стимул ослабевает ниже порогового значения — система снова обретает чувствительность. Представьте себе, что случается с системой передачи зрительных сигналов, когда вы входите с яркого солнечного света в темную комнату или выходите из темноты на свет.
Последней отличительной чертой систем передачи сигналов является интеграция (рис. 12-1, г), т. е. способность системы получать множественные сигналы и давать единый ответ, в соответствии с нуждами клетки или организма. Различные сигнальные пути «переговариваются» друг с другом на разных уровнях, генерируя множество взаимодействий, которые поддерживают гомеостаз в клетке и организме.
Таблица 12-1. Некоторые сигналы, на которые отвечают клетки
В этой главе мы рассмотрим молекулярные детали нескольких типичных систем передачи сигналов. Триггеры для разных систем разные, но главные стадии передачи сигналов общие для всех, а именно: сигнальное вещество реагирует с рецептором; активированный рецептор действует на клеточные механизмы, продуцируя второй сигнал или изменение активности клеточного белка; метаболическая активность (в широком смысле, включая метаболизм РНК, ДНК и белков) в клетке-мишени подвергается изменениям; и наконец, процесс трансдукции завершается, и клетка возвращается в первоначальное (бывшее до действия стимула) состояние. Чтобы проиллюстрировать эти общие свойства сигнальных систем, мы представим в качестве примеров шесть основных сигнальных механизмов (рис. 12-2).
1. Рецепторы, сопряженные с G-белком, которые опосредованно активируют (через GТР-связывающие белки, или G-белки) ферменты, генерирующие внутриклеточные вторичные мессенджеры. Это иллюстрируется на примере β-адренергической рецепторной системы, которая реагирует на адреналин (разд. 12.2).
2. Рецепторные тирозинкиназы — рецепторы плазматической мембраны, которые одновременно функционируют как ферменты. Когда один из этих рецепторов активируется его внеклеточным лигандом, он катализирует образование внутриклеточного вторичного мессенджера. Примерами могут служить рецептор инсулина (разд. 12.3) и рецептор эпидермального фактора роста (ЕGF-R).
3. Рецепторные гуанилатциклазы — рецепторы плазматической мембраны с цитоплазматическим ферментативным доменом. Внутриклеточный вторичный мессенджер для этих рецепторов циклический гуанозинмонофосфат (сGМР) активирует протеинкиназу в цитозоле, которая фосфорилирует клеточные белки и таким образом меняет их активность (разд. 12.4).
4. Управляемые (регулируемые) ионные каналы плазматической мембраны, которые открываются и закрываются в ответ на связывание химических лигандов или изменения трансмембранного потенциала. Эти каналы являются простейшими передатчиками сигнала. Пример такого механизма — ацетилхолиновый ионный канал (разд. 12.2).
Рис. 12-2. Шесть основных типов механизмов передачи сигнала.
5. Адгезионные рецепторы, которые взаимодействуют с макромолекулярными компонентами внеклеточного матрикса (например, коллагеном) и передают системе цитоскелета инструкции, касающиеся миграции клетки или ее сцепления с матриксом. Интегрины (о них говорилось в гл. 10) иллюстрируют этот общий тип механизма передачи сигнала.
6. Ядерные рецепторы (стероидные рецепторы), которые при связывании со специфическим лигандом (например, эстрогеном) изменяют скорость, с которой специфические гены транскрибируются и транслируются в клеточные белки. Поскольку стероидные гормоны функционируют посредством механизма, тесно связанного с регуляцией экспрессии генов, здесь мы рассмотрим их очень кратко (разд. 12.8), а детальное обсуждение их действия отложим до гл. 28.
Мы приступаем к обсуждению механизмов передачи биосигналов и для начала скажем несколько слов о номенклатуре сигнальных белков. В большинстве случаев эти белки были открыты в ходе решения какой-то конкретной задачи и были названы соответствующим образом. Позднее выяснилось, что они участвуют в выполнении гораздо более широкого спектра биологических функций, с которыми их первоначальное название никак не связано. Например, белок ретинобластомы, pRb, исходно был идентифицирован как белок, мутация которого вносит вклад в развитие рака сетчатки (ретинобластомы). Однако теперь известно, что этот белок участвует во многих важных для клеточного деления процессах во всех клетках, а не только в клетках сетчатки. Некоторые гены и белки получили довольно неопределенные названия: например, супрессор опухолевого роста р53 — белок (англ. protein) с молекулярной массой 53 кДа, но такое название ничего не говорит о чрезвычайно важной роли этого белка в регуляции деления клеток и развитии рака. По ходу изложения материала мы будем объяснять смысл таких
названий и приводить названия, которые обычно используют исследователи, работающие в данной области. Не смущайтесь, если не сможете понять название белка при первом знакомстве с ним!
Краткое содержание раздела 12.1 Общие свойства передачи сигналов
■ Все клетки имеют специфические и высокочувствительные сигналпередающие механизмы, которые сохранились в процессе эволюции.
■ Множество разнообразных стимулов действуют через специфические белковые рецепторы в плазматической мембране.
■ Рецепторы связывают сигнальную молекулу, усиливают сигнал, интегрируют его с сигналами от других рецепторов и передают в клетку. Если сигнал продолжает действовать, десенсибилизация рецептора уменьшает или прекращает ответ.
■ У многоклеточных организмов существуют шесть основных типов механизмов сигнализации: мембранные белки, которые действуют через G-белки; рецепторные тирозинкиназы; рецепторные гуанилатциклазы, которые действуют через протеинкиназы; управляемые ионные каналы; ферменты; адгезионные рецепторы, которые переносят информацию между внеклеточным матриксом и цитоскелетом; ядерные белки, которые связывают стероиды и влияют на экспрессию генов.
Биологическая библиотека - материалы для студентов, учителей, учеников и их родителей.
Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.
Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.
Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.
Тема 7. Молекулярные механизмы передачи сигнала в клетку. Основные механизмы внутриклеточной сигнализации.
Цель: Изучение молекулярных механизмов межклеточной сигнализации, основных этапов передачи сигналов в клетку, способов доставки сигнальных молекул к клеткам.
Задачи обучения:
Изучить способы передачи в клетку внешних сигналов и механизмов клеточного ответа.
Изучить роль вторичных мессенджеров в системе жизнеобеспечения клеток.
Основные вопросы темы:
1. Роль сигнализации для жизнедеятельности клеток
2. Общая характеристика сигнальных молекул.
3.Общая характеристика семейства мембраносвязанных и внутриклеточных рецепторов.
4. Этапы передачи сигналов.
5. Характеристика вторичных мессенджеров.
Информационный блок
Для нормальной жизнедеятельности любого организма составляющие его клетки, подобно людям в социуме, должны чутко реагировать на меняющуюся ситуацию, регулируя свою работу в зависимости от окружающих условий.
Клетка изменяет активности своих ферментов в ответ на получаемые ею из внешней среды специфические сигналы. Эти сигналы представляют собой определенные низкомолекулярные вещества (лиганды), связывающиеся со специальными участками клеточной поверхности - рецепторами. В организме человека лигандами являются, например, нейротрансмиттеры, которые выделяются в синаптических щелях нервными клетками в ответ на нервный импульс, а также вещества, секретируемые другими клетками в окружающую их среду.
Рисунок 1 Основные механизмы трансмембранной передачи сигнальной информации:
I - прохождение растворимой в жирах сигнальной молекулы через клеточную мембрану;
II - связывание сигнальной молекулы с рецептором и активация его внутриклеточного фрагмента; III - регулирование активности ионного канала; IV - передача сигнальной информации с помощью вторичных передатчиков.
1 - лекарство; 2 - внутриклеточный рецептор; 3 - клеточный (трансмембранный) рецептор; 4 - внутриклеточное превращение (биохимическая реакция); 5 - ионный канал; 6 - поток ионов; 7 - вторичный посредник; 8 - фермент или ионный канал; 9 - вторичный посредник.
Первый механизм (участок I на рисунке 1) - растворимая в липидах сигнальная молекула проходит через клеточную мембрану и активирует внутриклеточный рецептор (например, фермент). Так действует оксид азота, ряд жирорастворимых гормонов (глюкокортикоиды, минералокортикоиды, половые гормоны и тиреоидные гормоны) и витамин D. Они стимулируют транскрипцию генов в ядре клетки и, таким образом, синтез новых белков. Механизм действия гормонов заключается в стимуляции синтеза новых белков в ядре клетки.
Второй механизм передачи сигнала через клеточную мембрану (участок II на рисунке 1) - это связывание с клеточными рецепторами, имеющими внеклеточный и внутриклеточный фрагменты (то есть трансмембранными рецепторами). Внеклеточная и внутриклеточная части подобных рецепторов связаны полипептидным мостиком, проходящим через клеточную мембрану. Внутриклеточный фрагмент обладает ферментативной активностью, которая повышается при связывании сигнальной молекулы с рецептором. Соответственно возрастает скорость внутриклеточных реакций, в которых участвует этот фрагмент.
Третий механизм передачи информации - действие на рецепторы, регулирующие открытие или закрытие ионных каналов (участок III на рисунке 1). К естественным сигнальным молекулам, взаимодействующим с такими рецепторами, относятся, в частности, ацетилхолин, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), глицин, аспартат, глутамат и другие. При их взаимодействии с рецептором происходит увеличение трансмембранной проводимости для отдельных ионов, что вызывает изменение электрического потенциала клеточной мембраны. Например, ацетилхолин, взаимодействуя с н-холинорецепторами, увеличивает вход в клетку ионов натрия и вызывает деполяризацию и мышечное сокращение. Взаимодействие гамма-аминомасляной кислоты со своим рецептором приводит к повышению поступления ионов хлора в клетки, усилению поляризации и развитию торможения (угнетения) центральной нервной системы. Этот механизм передачи сигналов отличает быстрота развития эффекта (миллисекунды).
Четвертый механизм передачи химического сигнала реализуется через рецепторы, активизирующие внутриклеточный вторичный передатчик (участок IV на рисунке 1). При взаимодействии с такими рецепторами процесс протекает в четыре этапа. Сигнальная молекула распознается рецептором на поверхности клеточной мембраны, в результате их взаимодействия рецептор активизирует G-белок на внутренней поверхности мембраны. Активизированный G-белок изменяет активность либо фермента, либо ионного канала. Это приводит к изменению внутриклеточной концентрации вторичного посредника, через который уже непосредственно реализуются эффекты (изменяются процессы обмена веществ и энергии). Такой механизм передачи сигнальной информации позволяет усилить передаваемый сигнал. Так если взаимодействие сигнальной молекулы (например, норадреналина) с рецептором длится несколько миллисекунд, то активность вторичного передатчика, которому рецептор передает по эстафете сигнал, сохраняется в течение десятков секунд.
Вторичные посредники - это вещества, которые образуются внутри клетки и являются важными компонентами многочисленных внутриклеточных биохимических реакций. От их концентрации во многом зависит интенсивность и результаты жизнедеятельности клетки и функционирование всей ткани. Каким же образом первичные мессенджеры оказывают влияние на активность белков и, тем самым, на активность клетки?
Для этого внешний по отношению к клетке сигнал должен превратиться во внутренний. Ключевую роль в таком процессе играют образующиеся внутри клетки вторичные мессенджеры, которых на удивление мало. Главенствующую роль среди них играет циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), открытый в 1958 г. Э.Сазерлендом и Т.Роллом.
Это соединение образуется из знаменитой АТФ - аденозинтрифосфорной кислоты, которую часто называют «энергетической разменной монетой» клетки. Как известно, АТФ состоит из азотистого основания аденина, пятиуглеродного циклического сахара и трех остатков фосфорной кислоты. Химические связи между фосфорными остатками богаты энергией. Практически все внутриклеточные процессы, начиная от синтеза белков и кончая мышечным сокращением, получают энергию за счет отщепления одной или двух фосфатных групп АТФ.
Циклический аденозинмонофосфат образуется с помощью фермента аденилатциклазы, который отщепляет от АТФ два остатка фосфорной кислоты, а последний, третий, остаток замыкает через два атома кислорода на сахар рибозу, входящий в состав аденозина. Это удивительное вещество играет роль универсального вторичного мессенджера (посредника).
Наиболее известными вторичными посредниками кроме цАМФ являются циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ), ионы кальция, калия, диацилглицерол и инозитолтрифосфат.
Какие воздействия могут реализовываться с участием вторичных посредников?
цАМФ участвует в мобилизации энергетических запасов (распад углеводов в печени или триглицеридов в жировых клетках), в задержке воды почками, в нормализации кальциевого обмена, в увеличении силы и частоты сердечных сокращений, в образовании стероидных гормонов, в расслаблении гладких мышц и так далее.
Диацилглицерол, инозитолтрифосфат и ионы кальция участвуют в реакциях, которые возникают в клетках при возбуждении некоторых типов адрено- и холинорецепторов.
цГМФ участвует в расслаблении гладких мышц сосудов, стимулируя образование оксида азота в эндотелии сосудов под влиянием ацетилхолина и гистамина.
Таким образом, как транспортные системы, так и механизмы передачи сигнала участвуют в реализации и выполнении двух основных функций (задач) клетки: поддержание стабильности “системы жизнеобеспечения” и выполнение специальных функций.
Рис.2. Главные механизмы образования внутриклеточных мессенджеров
Самостоятельная работа студентов :
Раб.1. В схематической форме составить четыре этапа Четвертого механизма передачи химического сигнала в клетку.
Раб.2. Рассмотреть и подготовить схему «Главные механизмы образования внутриклеточных мессенджеров» к итоговому контролю занятия.
Виды контроля:
1. Контроль исходного уровня знаний
2. Разбор результатов самостоятельной работы студентов
3. Контроль итогового уровня знаний
Методы обучения и преподавания: проведение практических занятий, работа с компьютерными моделями и микропрепаратами.
2. Передача сигналов через внутриклеточные рецепторы
В отсутствие гормона внутриклеточные рецепторы связаны обычно с другими белками в цитозоле или ядре. Например, рецепторы глюкокортикоидов образуют в цитозоле комплекс с шапероном, что препятствует связыванию рецептора с молекулой ДНК.
Взаимодействие гормона с центром связывания на С-концевом участке полипептидной цепи рецептора вызывает конформационные изменения и освобождение рецептора от шаперона. Происходит объединение 2 молекул рецептора с образованием гомодимера. Димер рецептора узнаёт специфическую последовательность нуклеотидов, которая расположена в промоторной области гена. Взаимодействие со специфическим участком ДНК HRE (от англ, hormone response element, элемент, реагирующий на воздействие гормона) обеспечивает центральный домен рецептора
Передача гормональных сигналов через внутриклеточные рецепторы (рецепторы стероидных гормонов могут находиться в цитоплазме и ядре).
Центральный домен рецептора содержит аминокислотную последовательность, образующую 2 "цинковых пальца". В каждом "цинковом пальце" атом цинка связан с 4 остатками цистеина.
В структуре одного "цинкового пальца" имеется последовательность аминокислот, отвечающая за связывание с ДНК, а второй "цинковый палец" содержит последовательность аминокислот, участвующую в димеризации рецепторов. Взаимодействие комплекса гормон-рецептор с определённой последовательностью нуклеотидрв в промоторной части ДНК приводит к активации транскрипции.
Рецепторы тиреоидных гормонов всегда связаны с ДНК. В отсутствие гормонов соответствующие рецепторы ингибируют экспрессию генов. Напротив, взаимодействие с гормоном превращает их в активаторы транскрипции.
Регуляция активности рецептора стероидных гормонов. 1 - в отсутствие гормона рецептор через гормонсвязывающий домен образует комплекс с шапероном, что препятствует связыванию рецептора с молекулой ДНК; 2 - в присутствии гормона рецептор освобождается от шаперона, образуется димер рецептора, который присоединяется к молекуле ДНК и вызывает активацию транскрипции.
Структура центрального домена стероидного гормона. 1 - аминокислотные остатки, участвующие в связывании ДНК; 2 - область димеризации. Центральный ДНК-связывающий домен содержит 2 "цинковых пальца". Атомы цинка связаны с аминокислотной последовательностью через остатки цистеина. Функциональные области 1 и 2 отвечают соответственно за связывание ДНК и димеризацию рецептора.
3. Передача сигналов через рецепторы, сопряжённые с ионными каналами
Рецепторы, сопряжённые с ионными каналами, являются интегральными мембранными белками, состоящими из нескольких субъединиц. Они действуют одновременно как ионные каналы и как рецепторы, которые способны специфически связывать с внешней стороны эффектор, изменяющий их ионную проводимость. Эффекторами такого типа могут быть гормоны и нейромедиаторы.
Известны рецепторы для ряда гормонов, ассоциированных с ионными каналами, и большинства медиаторов, среди которых наиболее изучен рецептор ацетилхолина. Рецептор ацетилхолина состоит из пяти цилиндрообразных субъединиц, расположенных в мембране параллельно друг другу: α2, β, γ, δ. Между ними вдоль оси цилиндров находится заполненный молекулами воды канал. Каждая субъединица рецептора состоит из большого количества гидрофобных аминокислотных остатков. Кроме этого, все субъединицы содержат один спирализованный трансмембранный фрагмент, аминокислотные радикалы которого (полярные незаряженные аминокислотные остатки, в основном серии и треонин) выстилают центральный канал рецептора изнутри. В средней части субъединиц, обращённой к каналу, локализованы остатки лейцина. В присутствии ацетилхолина боковые взаимодействия между субъединицами поддерживают канал в открытом состоянии и создают возможность для транспорта ионов. В отсутствие ацетилхолина в результате изменения ориентации субъединиц относительно друг друга канал закрывается, так как выступающие внутрь канала остатки лейцина образуют плотное гидрофобное кольцо, блокируя движение гидратированных ионов в этой области:
Схема строения рецептора ацетилхолина. А - закрытый канал рецептора в отсутствие ацетилхолина; Б - открытый канал рецептора в присутствии ацетилхолина. Трансмембранные спирализованные участки всех 5 субъединиц содержат полярные незаряженные радикалы аминокислот; гидрофобные остатки лейцина (Л), локализованные в середине каждого спирализованного гидрофильного участка, выступают в центральную часть канала и препятствуют движению ионов.
ГОРМОНЫ МОЗГОВОГО ВЕЩЕСТВА НАДПОЧЕЧНИКОВ, ЩИТОВИДНОЙ, ПАРАЩИТОВИДНОЙ И ПОДЖЕЛУДОЧНОЙ ЖЕЛЕЗ.
ГОРМОНЫ МОЗГОВОГО ВЕЩЕСТВА НАДПОЧЕЧНИКОВ
Катехоламины
Представляют собой производные аминокислоты тирозина.
Осуществляется в клетках мозгового слоя надпочечников (80% всего адреналина), синтез норадреналина (80%) происходит также в нервных синапсах.
Реакции синтеза катехоламинов
Регуляция синтеза и секреции
Активируют: стимуляция чревного нерва, стресс.
Уменьшают: гормоны щитовидной железы.
Механизм действия
Механизм действия гормонов разный в зависимости от рецептора. Конечный эффект гормонов зависит от преобладания типа рецепторов на клетке и концентрации гормона в крови. Например, в жировой ткани при низких концентрациях адреналина более активны α2-адренорецепторы, при повышенных концентрациях (стресс) - стимулируются β1-, β2-, β3-адренорецепторы.
Аденилатциклазный механизм
при задействовании α2-адренорецепторов аденилатциклаза ингибируется,
при задействовании β1- и β2-адренорецепторов аденилатциклаза активируется.
Кальций-фосфолипидный механизм
при возбуждении α1-адренорецепторов.
Мишени и эффекты
При возбуждении α1-адренорецепторов (печень, сердечно-сосудистая и мочеполовая системы):
активация гликогенолиза,
сокращение гладких мышц кровеносных сосудов и мочеполовой системы.
При возбуждении α2-адренорецепторов (жировая ткань, поджелудочная железа, почки):
подавление липолиза (уменьшение стимуляции ТАГ-липазы),
подавление секреции инсулина и секреции ренина.
При возбуждении β1-адренорецепторов (есть во всех тканях):
активация липолиза,
увеличение силы и частоты сокращений миокарда.
При возбуждении β2-адренорецепторов (есть во всех тканях):
стимуляция гликогенолиза в печени и мышцах, и глюконеогенеза в печени,
расслабление гладких мышц бронхов, кровеносных сосудов, мочеполовой системы и желудочно-кишечного тракта.
В целом катехоламины отвечают за биохимические реакции адаптации к острым стрессам, связанным с мышечной активностью - "борьба или бегство":
усиление липолиза и продукция жирных кислот в жировой ткани для мышечной активности,
гипергликемия за счет глюконеогенеза и гликогенолиза в печени для повышения устойчивости ЦНС,
стимуляция гликогенолиза в мышцах,
активация протеолиза в лимфоидной ткани для обеспечения глюконеогенеза субстратом (аминокислотами),
снижение анаболических процессов через уменьшение секреции инсулина.
Адаптация также прослеживается в физиологических реакциях:
мозг - усиление кровотока и стимуляция обмена глюкозы,
мышцы - усиление сократимости,
сердечно-сосудистая система - увеличение силы и частоты сокращений миокарда,
легкие - расширение бронхов, улучшение вентиляции и потребления кислорода,
кожа - снижение кровотока.
Гиперфункция
Опухоль мозгового вещества надпочечников феохромоцитома. Ее диагностируют только после проявления гипертензии и лечат удалением опухоли.
Механизмы передачи гормональных сигналов в клетки
По механизму действия гормоны можно разделить на 2 группы. К первой группе относят гормоны, взаимодействующие с мембранными рецепторами (пептидные гормоны, адреналин, а также гормоны местного действия - цитокины, эйкозаноиды). Вторая группа включает гормоны, взаимодействующие с внутриклеточными рецепторами.
Связывание гормона (первичного посредника) с рецептором приводит к изменению конформации рецептора. Это изменение улавливается другими макромолекулами, т.е. связывание гормона с рецептором приводит к сопряжению одних молекул с другими (трансдукция сигнала). Таким образом, генерируется сигнал, который регулирует клеточный ответ путём изменения активности или количества ферментов и других белков. В зависимости от способа передачи гормонального сигнала в клетках меняется скорость реакций метаболизма путем воздействия на активность ферментов либо на количество ф ерментов.
1. Передача гормональных сигналов через мембранные рецепторы
Гормоны (первичные посредники), связываясь с рецепторами на поверхности клеточной мембраны, образуют комплекс гормон-рецептор, который трансформирует сигнал первичного посредника в изменение концентрации особых молекул внутри клетки - вторичных посредников. Вторичными посредниками могут быть следующие молекулы: цАМФ, цГМФ, ИФ3, ДАТ, Са 2+ , NO.
Гормоны, взаимодействие которых с рецептором клетки-мишени приводит к образованию цАМФ, действуют через трёхкомпонентную систему, которая включает белок-рецептор, G-белок и фермент аденилатциклазу. Образующийся под действием аденилатциклазы цАМФ активирует протеинкиназу А, фосфорилируюшую ферменты и другие белки. Известно более 200 различных G-белков, в структуре которых обнаружены 3 субъединицы α, β и γ. В отсутствие гормона α-субъединица G-белка связана с ГДФ. Образование комплекса гормонрецептора приводит к конформационным изменениям α-субъединицы, замене ГДФ на ГТФ и отщеплению димера βγ от α-ГТФ. В случае рецепторов, сопряжённых с Gs-белком, субъединица αs-ГТФ активирует аденилатциклазу.
( ИФ3 - инозитол-3-фосфат; ДАГ - диацилглицерол; ФИФ2 - фосфоинозитолбисфосфат; СТГ - соматотропный гормон. инозитоп-3-фосфат; ДАГ - диаципглицерол; ФИФ2 - фосфоинозитолбифосфат; СТГ - соматотропный гормон.)
В случае рецепторов, сопряжённых с Giбелком, субъединица αi-ГТФ ингибирует аденилатциклазу. В таблице 11-4 приведены примеры гормонов, взаимодействие которых с соответствующим рецептором активирует или ингибирует аденилатциклазу.
Другая система, генерирующая цГМФ как вторичный посредник, сопряжена с гуанилатциклазой. Цитоплазматический домен такого типа рецепторов обладает активностью гуанилатциклазы, которая катализирует реакцию образования цГМФ из ГТФ> (подобно аденилатциклазе). Молекулы цГМФ могут активировать ионные каналы либо активировать цГМФ-за-висимую протеинкиназу G, участвующую в фосфорилировании других белков в клетке. Например, фосфодиэстерааа, которая гидролизует цАМФ до АМФ, активируется в результате фосфорилирования цГМФ-зависимой протеинкиназой.
Некоторые гормоны (например, вазопрессин или адреналин), образуя комплекс с соответствующими рецепторами (рецептор V1 для вазопрессина и αi-рецептор для адреналина), через активацию соответствующих G-белков активируют фосфолипазу С, в результате чего в клетке появляются вторичные посредники ИФ3, ДАГ. Молекула ИФ3 стимулирует высвобождение Са 2+ из ЭР. Кальций связывается с белком кальмодулином. Этот комплекс активирует Са 2+ -кальмодулинзависимую протеинкиназу. Ионы кальция и ДАГ участвуют в активации протеинкиназы С.
Внутриклеточные сигнальные пути: исключительная роль системы для организма
На сегодняшний день все еще изучаются невероятные возможности клеток, среди которых система внутриклеточной сигнализации занимает важное место.
Ответ клетки на внутренние или внешние раздражители довольно сложный. Он представляет собой так званый внутриклеточный каскад сигнальных молекул, состоящий из множества биохимических превращений. Некоторые фрагменты этой системы поддерживают выживаемость клеток, другие участвуют в апоптозе.
Понимание особенностей и механизмов функционирования сигнальных путей важно для врачей всех специальностей, в особенности для эндокринологов, иммунологов и дерматологов.
Разновидности молекул, принимающих участие в реализации сигнальных путей
Для того чтобы понимать механизмы формирования внутриклеточных путей передачи информации, необходимо разобраться, какими же бывают посредники - сигнальные молекулы.
Сигнальные молекулы - это различные химические вещества и их соединения, которые способны передавать внутри клетки сигналы из внешней и внутренней среды организма.
В настоящее время выделяют два вида сигнальных молекул: первичные и вторичные посредники.
Первичные мессенджеры, как правило, являются экстраклеточными сигналами. К ним относятся:
Вторичные мессенджеры характеризуются низкой молекулярной массой и высокой скоростью расщепления. К ним относятся:
Сигнальные молекулы по физико-химическим свойствам также делят на липофильные и липофобные.
Механизм внутриклеточной передачи сигнала: классические сигнальные пути
Существует несколько классических способов передачи сигнала между клетками, среди которых наиболее изученным является путь MAPK (mitogen activated protein kinase).
Механизм пути МАРК реализуется следующим образом: сначала происходит трансмембранная активация рецепторов клетки с помощью цитоплазматических и ядерных протеинов, что в дальнейшем воздействует на транскрипцию генов, метаболизм, пролиферацию клеток, апоптоз и другие процессы.
Сигналы от первичных мессенджеров распознаются благодаря тирозиназным рецепторам или рецепторам, связанными с G-белками, которые активируют ГТФазы семейства Ras и Rho. Протеинкиназы фосфорилируют белки-мишени и факторы транскрипции, которые определяют конкретные реакции клеток.
Повреждающие воздействия, такие как окислительный стресс, помимо разрушения компонентов клеток, усиливают экспрессию ряда сигнальных и защитных белков.
Читайте нас также в Instagram
Основные виды гуморальных регуляторных эффектов сигнальных молекул
Передача сигналов между молекулами имеет несколько вариантов путей:
опосредствованный путь передачи сигнала (мембранные рецепторы) и прямой путь рецепции (внутриклеточные рецепторы).
Клетки-мишени - это клетки, имеющие специализированные рецепторы на своей поверхности для определенного вида сигнальных молекул.
Регуляцию сигнальных молекул выполняют такие системы, как эндокринная, паракринная и аутокринная.
1. Эндокринная регуляция заключается в том, что посредники поступают к клеткам-мишеням из желудочно-воротной системы с током крови. Такой механизм характерный для большинства гормонов;
2. Паракринная регуляция осуществляется с помощью сигнальных молекул, которые вырабатываются в пределах одного органа;
3. Аутокринная регуляция характеризуется тем, что вещество оказывает влияние на ту же клетку, в которой оно образуется, тем самым изменяя ее функциональную активность.
Координацию нервной и гуморальной регуляции осуществляет гипоталамо-гипофизарная система.
Последствия гиперактивности некоторых сигнальных путей для организма
На примере постоянной активации сигнального каскада рецептора эпидермального фактора роста (EGFR) можно рассмотреть последствия данного процесса для клеток организма.
Семейство генов RAS имеют огромное значение для сигнального RAS-пути. Нормальный RAS находится преимущественно в неактивной, GDP-связанной форме. Активация RAS регулируется рецепторной тирозинкиназой EGFR.
После связывания рецепторной внеклеточной части тирозинкиназы с фактором роста происходит взаимное фосфорилирование ее внутриклеточных доменов. Образование активного комплекса RAS-GTP происходит в присутствии активирующего GTP-азу белка GAP, в сотни раз ускоряющего гидролиз. После гидролитического превращения GTP в GDP RAS снова инактивируется. Сигнал прерывается. Чтобы воспринять новый сигнал, если он еще существует вне клетки, цикл реактивации должен быть повторен.
Таким образом, каскадная последовательность реакций сигнального пути RAS действует как включатель, определяющий регуляцию генной экспрессии, требующуюся для реализации деления или дифференцировки клетки. Постоянная активация RAS-системы ведет к генным мутациям и злокачественному перерождению клеток.
Читайте также: