Хормони. Какво е това?

Номенклатура и класификация на хормоните

Принципи на предаване на хормонален сигнал към целевите клетки

хидрофилни хормони

Метаболизъм на пептидни хормони

Инактивиране и разграждане

Механизъм на действие на хидрофилните хормони

Втори пратеници

Цикличен AMP

Ролята на калциевите йони

Основните представители на хидрофилните хормони

Хистамин

Серотонин

Мелатонин

катехоламинови хормони

Пептидни и протеинови хормони

Тиротропин

Инсулин

Глюкагон

Гастрин

Заключение

Библиография

Хормони. Какво е това?

Хормоните са сигнални вещества, произвеждани в клетките на ендокринните жлези. След синтеза хормоните навлизат в кръвния поток и се прехвърлят в целевите органи, където изпълняват определени биохимични и физиологични регулаторни функции.

Всеки хормон е централната връзка в сложна система за хормонална регулация. Хормоните се синтезират под формата на прекурсори, прохормони, и често се отлагат в специализирани клетки на жлезите с вътрешна секреция. Оттук те навлизат в кръвния поток като метаболитно необходими. Повечето хормони се транспортират под формата на комплекси с плазмените протеини, така наречените хормонални транспортери, като свързването с транспортерите е обратимо. Хормоните се разграждат от подходящи ензими, обикновено в черния дроб. Накрая, хормоните и продуктите от тяхното разграждане се отделят от тялото чрез отделителната система, обикновено чрез бъбреците. Всички тези процеси влияят върху концентрацията на хормоните и контролната сигнализация.

В целевите органи има клетки, които носят рецептори, които могат да свързват хормони и по този начин да възприемат хормонален сигнал. След свързване на хормона, рецепторите предават информация на клетката и започват верига от биохимични реакции, които определят клетъчния отговор на действието на хормона.

Хормоните се използват в тялото за поддържане на неговата хомеостаза, както и за регулиране на много функции (растеж, развитие, метаболизъм, реакция на промени в условията на околната среда).

Номенклатура и класификация на хормоните

Химическата природа на почти всички известни хормони е изяснена в детайли (включително първичната структура на протеиновите и пептидните хормони), но досега не са разработени общи принципи за тяхната номенклатура. Химичните наименования на много хормони отразяват точно тяхната химична структура и са много тромави. Поради това по-често се използват тривиални имена на хормони. Приетата номенклатура показва източника на хормона (например инсулин - от латинското insula - островче) или отразява неговата функция (например пролактин, вазопресин). За някои хормони на хипофизата (например лутеинизиращ и фоликулостимулиращ), както и за всички хормони на хипоталамуса са разработени нови работни имена.

Подобна ситуация съществува по отношение на класификацията на хормоните. Хормоните се класифицират в зависимост от мястото на естествения им синтез, според което се разграничават хормоните на хипоталамуса, хипофизата, щитовидната жлеза, надбъбречните жлези, панкреаса, половите жлези, гушата и др. анатомична класификацияне е достатъчно съвършен, защото някои хормони или се синтезират в грешни жлези вътрешна секреция, откъдето се секретират в кръвта (например хормоните на задния дял на хипофизата, вазопресора и окситоцин се синтезират в хипоталамуса, откъдето се прехвърлят в задния дял на хипофизата), или се синтезират в други жлези (напр. частичен синтез на полови хормони се извършва в надбъбречната кора, синтезът на простагландини се извършва не само в простатната жлеза, но и в други органи) и др. Предвид тези обстоятелства бяха направени опити за създаване на съвременна класификация на хормоните въз основа на тяхната химична природа. В съответствие с тази класификация се разграничават три групи истински хормони:

) пептидни и протеинови хормони,

) хормони - производни на аминокиселини и 3) хормони със стероидна природа. Четвъртата група се състои от ейкозаноиди - хормоноподобни вещества, които имат локално действие.

Пептидните и протеиновите хормони включват от 3 до 250 или повече аминокиселинни остатъка. Това са хормоните на хипоталамуса и хипофизната жлеза (тиролиберин, соматолиберин, соматостатин, хормон на растежа, кортикотропин, тиротропин и др. - виж по-долу), както и хормони на панкреаса (инсулин, глюкагон). Хормоните - производни на аминокиселините са представени главно от производни на аминокиселината тирозин. Това са нискомолекулни съединения адреналин и норепинефрин, синтезирани в надбъбречната медула, и хормони на щитовидната жлеза (тироксин и неговите производни). Хормоните от 1-ва и 2-ра група са силно разтворими във вода.

Стероидните хормони са мастноразтворими хормони. коранадбъбречни жлези (кортикостероиди), полови хормони (естрогени и андрогени) и хормоналната форма на витамин D.

Ейкозаноидите, които са производни на полиненаситена мастна киселина (арахидонова), са представени от три подкласа съединения: простагландини, тромбоксани и левкотриени. Тези неразтворими във вода и нестабилни съединения упражняват своите ефекти върху клетки близо до мястото на техния синтез.

Принципи на предаване на хормонален сигнал към целевите клетки

Съществуват два основни типа предаване на хормонален сигнал към целевите клетки. Липофилните хормони навлизат в клетката и след това навлизат в ядрото. Хидрофилните хормони действат на ниво клетъчна мембрана.

хидрофилен хормон хормонален сигнал

Липофилните хормони, които включват стероидни хормони, тироксин и ретиноева киселина, свободно проникват през плазмената мембрана в клетката, където взаимодействат с високо специфични рецептори. Комплексът хормон-рецептор под формата на димер се свързва с хроматина в ядрото и инициира транскрипцията на определени гени. Подобряването или потискането на синтеза на иРНК (mRNA) води до промяна в концентрацията на специфични протеини (ензими), които определят отговора на клетката към хормонален сигнал.

Хормоните, които са производни на аминокиселини, както и пептидните и протеиновите хормони, образуват група от хидрофилни сигнални вещества. Тези вещества се свързват със специфични рецептори на външната повърхност на плазмената мембрана. Свързването на хормона предава сигнал към вътрешната повърхност на мембраната и по този начин задейства синтеза на вторични вестители (посредници). Междинните молекули потенцират клетъчния отговор на действието на хормона.

хидрофилни хормони

Определение.

Хидрофилните хормони и хормоноподобните вещества са изградени от аминокиселини, като протеини и пептиди, или са производни на аминокиселини. Те се отлагат в големи количества в клетките на жлезите с вътрешна секреция и при необходимост навлизат в кръвта. Повечето от тези вещества се транспортират в кръвта без участието на носители. Хидрофилните хормони действат върху целевите клетки чрез свързване с рецептор на плазмената мембрана.

Метаболизъм на пептидни хормони

Биосинтеза.

За разлика от стероидите, пептидните и протеиновите хормони са основните продукти на биосинтезата. Съответната информация се чете от ДНК (DNA) на етапа на транскрипция и синтезираната hnRNA (hnRNA) се освобождава от интрони поради сплайсинг (1). иРНК (mRNA) кодира пептидна последователност, която най-често значително надвишава зрелия хормон в молекулно тегло. Оригиналната аминокиселинна верига включва сигнален пептид и пропептид на хормонален прекурсор. Транслацията на иРНК се извършва върху рибозомите по обичайния начин (2). Първо се синтезира сигналният пептид. Неговата функция е да свързва рибозомите върху грапавия ендоплазмен ретикулум [RER (rER)] и да насочва нарастващата пептидна верига в лумена на RER (3). Синтезираният продукт е прекурсор на хормона, прохормон. Съзряването на хормона се осъществява чрез ограничена протеолиза и последваща (посттранслационна) модификация, като образуване на дисулфиден мост, гликозилиране и фосфорилиране (4). Зрелият хормон се отлага в клетъчни везикули, откъдето се секретира при необходимост поради екзоцитоза.

Биосинтезата на пептидни и протеинови хормони и тяхната секреция са под контрола на йерархична система на хормонална регулация. В тази система калциевите йони участват като вторичен носител; повишаването на концентрацията на калций стимулира синтеза и секрецията на хормони.

Анализът на хормоналните гени показва, че понякога много напълно различни пептиди и протеини са кодирани от един и същи ген. Един от най-изследваните е генът за проопиомеланокортин [POMC (POMC)]. Заедно с нуклеотидната последователност, съответстваща на кортикотропин [адренокортикотропен хормон, ACTH (ACTH)], този ген включва припокриващи се последователности, кодиращи редица малки пептидни хормони, а именно α-, β- и γ-меланотропини [MSH (MSH)], β- и γ - липотропини (LPG (LPH)], β-ендорфин и мет-енкефалин. Последният хормон също може да се образува от β-ендорфин. Прохормонът за това семейство е така нареченият полипротеин. Сигналът за това кой пептид трябва да бъде получен и секретиран идва от регулаторната система след завършване на препропептидния синтез. Най-важният секретиран продукт, получен от полипротеина на хипофизата, кодиран от POMC гена, е хормонът кортикотропин (ACTH), който стимулира секрецията на кортизол от надбъбречната кора. функциите на други пептиди не са напълно изяснени.

Инактивиране и разграждане

Разграждането на пептидните хормони често започва още в кръвта или по стените на кръвоносните съдове, като този процес е особено интензивен в бъбреците. Някои пептиди, съдържащи дисулфидни мостове, като инсулин, могат да бъдат инактивирани поради намаляване на цистиновите остатъци (1).Други протеинови пептидни хормони се хидролизират от протеинази, а именно екзо - (2) (в краищата на веригата) и ендопептидази (3). Протеолизата води до образуването на много фрагменти, някои от които могат да бъдат биологично активни. Много протеиново-пептидни хормони се отстраняват от циркулационната система чрез свързване към мембранния рецептор и последваща ендоцитоза на комплекса хормон-рецептор. Разграждането на такива комплекси става в лизозомите; крайният продукт на разграждането са аминокиселини, които отново се използват като субстрати в анаболни и катаболни процеси.

Липофилните и хидрофилните хормони имат различен полуживот в кръвоносната система (по-точно биохимичният полуживот, t1/2). В сравнение с хидрофилните хормони (t1/2 от няколко минути или часове), липофилните хормони живеят много по-дълго (t1/2 от няколко часа или дни). Биохимичният полуживот на хормоните зависи от активността на системата за разграждане. Излагането на системата на разграждане от лекарства или увреждане на тъканите може да доведе до промяна в скоростта на разпадане, а оттам и концентрацията на хормони.

Механизъм на действие на хидрофилните хормони

Повечето хидрофилни сигнални вещества не могат да преминат през липофилната клетъчна мембрана. Следователно предаването на сигнала към клетката се осъществява чрез мембранни рецептори (проводници на сигнала). Рецепторите са интегрални мембранни протеини, които свързват сигнални вещества от външната страна на мембраната и чрез промяна на пространствената структура генерират нов сигнал от вътрешната страна на мембраната. Този сигнал определя транскрипцията на определени гени и активността на ензимите, които контролират метаболизма и взаимодействат с цитоскелета.

Има три вида рецептори.

Рецепторите от първия тип са протеини, които имат една трансмембранна полипептидна верига. Това са алостерични ензими, чийто активен център е разположен от вътрешната страна на мембраната. Много от тях са тирозин протеин кинази. Рецепторите за инсулин, растежни фактори и цитокини принадлежат към този тип.

Свързването на сигнализиращото вещество води до димеризация на рецептора. В този случай настъпва активиране на ензима и фосфорилиране на тирозинови остатъци в редица протеини. Рецепторната молекула първо се фосфорилира (автофосфорилиране). Фосфотирозинът се свързва с SH2 домена на протеина носител на сигнала, чиято функция е да предава сигнал към вътреклетъчните протеин кинази.

йонни канали. Тези тип II рецептори са олигомерни мембранни протеини, които образуват лиганд-активиран йонен канал. Свързването на лиганда води до отваряне на канала за Na+, K+ или Cl- йони. Съгласно този механизъм се осъществява действието на невротрансмитери като ацетилхолин (никотиновите рецептори: Na + - и K + канали) и γ-аминомаслената киселина (А рецептор: Cl - канал).

Рецептори от трети тип, свързани с GTP-свързващи протеини. Полипептидната верига на тези протеини включва седем трансмембранни вериги. Такива рецептори сигнализират чрез GTP-свързващи протеини към ефекторни протеини, които са свързани ензими или йонни канали. Функцията на тези протеини е да променят концентрацията на йони или вторични носители.

По този начин, свързването на сигнализиращо вещество към мембранен рецептор води до един от трите варианта на вътреклетъчен отговор: рецепторните тирозин кинази активират вътреклетъчните протеин кинази, активирането на активираните от лиганди йонни канали води до промяна в концентрацията на йони и активирането на рецептори, свързани с GTP-свързващи протеини, индуцира синтеза на вещества посредници, вторични носители. И трите системи за предаване на сигнали са свързани помежду си. Например образуването на втория посредник cAMP (cAMP) води до активиране на протеин кинази А [PK-A (PK-A)], вторичният посредник диацилглицерол [DAG (DAG)] активира [PK-C (PK- C)], а вторичният посредник инозитол-1,4,5-трифосфат [IP3 (InsP3)] предизвиква повишаване на концентрацията на Ca2+ йони в клетъчната цитоплазма.

Сигнална трансдукция от G протеини. G протеините са семейство от протеини, принадлежащи към GTPases и функциониращи като втори пратеници във вътреклетъчните сигнални каскади. G-протеините са наречени така, защото в техния сигнален механизъм те използват заместването на GDP с GTP като молекулен функционален „превключвател" за регулиране на клетъчните процеси. Протеините пренасят сигнала от третия тип рецептор към ефекторните протеини. Изградени са от три субединици: α, β и γ. α-субединицата има способността да свързва гуаниновите нуклеотиди [GTP (GTP) или GDP (GDP)]. Протеинът проявява слаба GTPase активност и е подобен на други GTP-свързващи протеини като ras и фактор на удължаване Tu (EF-Tu). В неактивно състояние G-протеинът се свързва с БВП.

Когато сигнално вещество се свърже с рецептор тип 3, конформацията на последния се променя по такъв начин, че комплексът придобива способността да свързва G протеина. Свързването на G-протеина с рецептора води до обмен на GDP за GTP (1). В този случай G-протеинът се активира, той се отделя от рецептора и се дисоциира на α-субединица и β,γ-комплекс. ΓΤΦ-α субединицата се свързва с ефекторните протеини и променя тяхната активност, което води до отваряне или затваряне на йонни канали, активиране или инхибиране на ензими (2). Бавната хидролиза на свързания GTP към GDP трансформира α-субединицата в неактивно състояние и тя отново се свързва с β,γ-комплекса, т.е. G-протеинът се връща в първоначалното си състояние.

Втори пратеници

Вторичните месинджъри или месинджърите са вътреклетъчни вещества, чиято концентрация е строго контролирана от хормони, невротрансмитери и други извънклетъчни сигнали. Такива вещества се образуват от налични субстрати и имат кратък биохимичен полуживот. Най-важните вторични посредници са cAMP (cAMP), cGTP (cGTP), Ca2+, инозитол-1,4,5-трифосфат [IP3 (lnsP3)], диацилглицерол [DAG (DAG)] и азотен оксид (NO).

Цикличен AMP

Биосинтеза. cAMP нуклеотидът (3,5"-циклоаденозин монофосфат, cAMP) се синтезира от мембранни аденилат циклази, семейство от ензими, които катализират реакцията на циклизация на АТФ (АТР) с образуването на cAMP и неорганичен пирофосфат. Разграждането на cAMP до образуване на AMP (AMP) се катализира от фосфодиестерази, които се инхибират при високи концентрации на метилирани ксантинови производни, като кофеин.

Активността на аденилатциклазата се контролира от G протеини, които от своя страна са свързани с рецептори тип 3, контролирани от външни сигнали. Повечето G-протеини (Gs-протеини) активират аденилатциклазата, някои G-протеини я инхибират (Gi-протеини). Някои аденилатциклази се активират от комплекса Са2+/калмодулин.

Механизъм на действие. cAMP е алостеричен ефектор на протеин кинази А (PK-A) и йонни канали (виж стр. 372). В своето неактивно състояние PK-A е тетрамер, чиито две каталитични субединици (К-субединици) се инхибират от регулаторни субединици (Р-субединици) (автоинхибиране). Когато cAMP се свърже, P-субединиците се дисоциират от комплекса и K-единиците се активират. Ензимът може да фосфорилира определени серинови и треонинови остатъци в над 100 различни протеина, включително много ензими (виж стр. 158) и транскрипционни фактори. В резултат на фосфорилирането функционалната активност на тези протеини се променя.

Заедно с cAMP, cGMP (cGMP) също може да изпълнява функциите на втори посредник. И двете съединения се различават по метаболизъм и механизъм на действие.

Ролята на калциевите йони

Нивото на калциевите йони. Концентрацията на Ca2+ йони в цитоплазмата на нестимулирана клетка е много ниска (10-100 nM). Ниското ниво се поддържа от калциеви АТФази (калциеви помпи) и натриево-калциеви обменници. Рязко повишаване на концентрацията на Ca2+ йони в цитоплазмата (до 500-1000 nM) възниква в резултат на отварянето на калциевите канали в плазмената мембрана или вътреклетъчните калциеви депа (гладък и грапав ендоплазмен ретикулум). Отварянето на каналите може да бъде причинено от деполяризация на мембраната или от действието на сигнални субстанции, невротрансмитери (глутамат и АТФ, виж стр. 342), вторични посредници (IP3 и cAMP), както и растителното вещество рианодин. В цитоплазмата и клетъчните органели има много протеини, способни да свързват Ca2+, някои от които действат като буфер.

При висока концентрация в цитоплазмата Ca2+ йоните имат цитотоксичен ефект върху клетката. Поради това нивото на калций в отделната клетка изпитва краткотрайни изблици, нарастващи 5-10 пъти, а стимулирането на клетката само увеличава честотата на тези колебания.

Действието на калция се медиира от специални Ca2+-свързващи протеини ("калциеви сензори"), които включват анексин, калмодулин и тропонин (виж стр. 326). Калмодулинът е сравнително малък протеин (17 kDa), присъстващ във всички животински клетки. Когато се свържат четири Ca2+ йона (сини кръгове на диаграмата), калмодулинът преминава в активна форма, способна да взаимодейства с множество протеини. Благодарение на активирането на калмодулин, Ca2+ йони влияят върху активността на ензимите, йонните помпи и компонентите на цитоскелета.

Инозитол-1,4,5-трифосфат и диацилглицерол

Хидролизата на фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат [FIF2 (PlnsP2)] от фосфолипаза С води до образуването на два вторични носителя: инозитол-1,4,5-трифосфат и диацилглицерол. Хидрофилният IP3 навлиза в ендоплазмения ретикулум [ER (ER)] и индуцира освобождаването на Ca2+ йони от везикулите за съхранение. Липофилният DAG остава в мембраната и активира протеин киназа С, която в присъствието на Ca2+ фосфорилира различни протеинови субстрати, модулирайки тяхната функционална активност.

Основните представители на хидрофилните хормони

Производни на аминокиселини.

Естествено, най-големите групи хормони са стероидните хормони и пептидните хормони. Но има и други групи.

Биогенните амини (хистамин, серотонин, мелатонин) и катехоламините (допа, допамин, норепинефрин и епинефрин) се образуват чрез декарбоксилиране на аминокиселини.

Хистамин

Хистаминв човешкото тяло - тъканен хормон, медиатор, който регулира жизнените функции на организма и играе съществена роля в патогенезата на редица болестни състояния.

Този хормон се отлага в мастоцитите и базофилите под формата на комплекс с хепарин, свободният хистамин бързо се деактивира чрез окисление, катализирано от диаминоксидаза, или метилиран от хистамин-N-метилтрансфераза. Крайните метаболити на хистамина - имидазолилоцетна киселина и N-метилхистамин се екскретират с урината.

Хистаминът в човешкото тяло е в неактивно състояние. При наранявания, стрес, алергични реакции количеството свободен хистамин се увеличава значително. Количеството хистамин също се увеличава, когато в тялото навлязат различни отрови, някои храни и някои лекарства.

Свободният хистамин причинява спазъм на гладката мускулатура (включително мускулите на бронхите и кръвоносните съдове), разширяване на капилярите и понижаване на кръвното налягане, стагнация на кръвта в капилярите и повишаване на пропускливостта на стените им, причинява подуване на околните тъкани и сгъстяване на кръвта, стимулира отделянето на адреналин и ускорява сърдечната честота.

Хистаминът упражнява своето действие чрез специфични клетъчни хистаминови рецептори. Понастоящем има три групи хистаминови рецептори, които са обозначени като H1, H2 и H3.

Хистаминът играе важна роля във физиологията на храносмилането. В стомаха хистаминът се секретира от подобни на ентерохромафин (ECL-) мукозни клетки. Хистаминът стимулира производството на солна киселина чрез въздействие върху H2 рецепторите на париеталните клетки на стомашната лигавица. Разработени и активно използвани при лечението на киселинно-зависими заболявания (язва на стомаха и дванадесетопръстника, ГЕРБ и др.) Редица лекарства, наречени H2-блокери на хистаминов рецептор, които блокират ефекта на хистамина върху париеталните клетки, като по този начин намаляват секрецията на солна киселина киселина в лумена на стомаха.

Серотонин

Серотонин(5-хидрокситриптамин, 5-НТ) е ​​открит при търсене на вазоконстриктор, открит в кръвта. Много бързо той беше идентифициран с ентерамин, открит преди това от Ерспамер в червата, и химичната му структура беше дешифрирана, което се оказа много просто.

Около 90% от серотонина се намира в червата и почти изключително в ентерохромафинните клетки. Намира се също в далака, черния дроб, бъбреците, белите дробове и в различни ендокринни жлези.

Има също серотонин в главния мозък (сравнително много в хипоталамуса и междинния мозък, по-малко в таламуса, хиполит, изобщо не се открива в corpus callosumи малкия мозък) и в гръбначния мозък.

Серотонинът се образува от аминокиселината триптофан чрез нейното последователно 5-хидроксилиране от ензима 5-триптофан хидроксилаза (което води до 5-хидрокситриптофан, 5-НТ) и след това декарбоксилиране на получения хидрокситриптофан от ензима триптофан декарбоксилаза. синтезиран само в сомата на серотонинергичните неврони, хидроксилирането се извършва в присъствието на железни йони и птеридин кофактор.

Серотонинът играе важна роля в процесите на кръвосъсирване. Кръвните тромбоцити съдържат значителни количества серотонин и имат способността да улавят и съхраняват серотонин от кръвната плазма. Серотонинът повишава функционалната активност на тромбоцитите и тяхната склонност към агрегиране и образуване на кръвни съсиреци. Чрез стимулиране на специфични серотонинови рецептори в черния дроб, серотонинът предизвиква увеличаване на синтеза на фактори на кръвосъсирването от черния дроб. Освобождаването на серотонин от увредените тъкани е един от механизмите за осигуряване на коагулация на кръвта на мястото на нараняване.

Серотонинът участва в процесите на алергия и възпаление. Увеличава съдовата пропускливост, засилва хемотаксиса и миграцията на левкоцитите към мястото на възпалението, повишава съдържанието на еозинофили в кръвта, засилва дегранулацията на мастоцитите и освобождаването на други медиатори на алергия и възпаление. Локалното (напр. интрамускулно) приложение на екзогенен серотонин причинява силна болка на мястото на инжектиране. Предполага се, че серотонинът, заедно с хистамина и простагландините, чрез дразнене на рецепторите в тъканите, играе роля при появата на болкови импулси от мястото на нараняване или възпаление.

Освен това в червата се произвежда голямо количество серотонин. Серотонинът играе важна роля в регулирането на мотилитета и секрецията в стомашно-чревния тракт, засилвайки неговата перисталтика и секреторна активност. В допълнение, серотонинът играе ролята на растежен фактор за някои видове симбиотични микроорганизми, засилва бактериалния метаболизъм в дебелото черво. Самите бактерии на дебелото черво също допринасят донякъде за чревната секреция на серотонин, тъй като много симбиотични бактерии имат способността да декарбоксилират триптофан. При дисбактериоза и редица други заболявания на дебелото черво производството на серотонин от червата значително намалява.

Масовото освобождаване на серотонин от умиращите клетки на стомашната и чревната лигавица под въздействието на цитотоксични химиотерапевтични лекарства е една от причините за гадене и повръщане, диария по време на химиотерапия на злокачествени тумори. Подобно състояние възниква при някои злокачествени тумори, които произвеждат ектопично серотонин.

В матката също се отбелязва високо съдържание на серотонин. Серотонинът играе роля в паракринната регулация на контрактилитета на матката и фалопиевите тръби и в координацията на раждането. Производството на серотонин в миометриума се увеличава няколко часа или дни преди раждането и се увеличава още повече директно по време на раждането. Също така, серотонинът участва в процеса на овулация - съдържанието на серотонин (и редица други биологично активни вещества) във фоликуларната течност се увеличава непосредствено преди разкъсването на фоликула, което очевидно води до повишаване на вътрефоликуларното налягане.

Серотонинът има значителен ефект върху процесите на възбуждане и инхибиране в половата система. Например, повишаването на концентрацията на серотонин при мъжете забавя началото на еякулацията.

Дефицитът или инхибирането на серотонинергичното предаване, например, причинено от намаляване на нивото на серотонин в мозъка, е един от факторите за формирането на депресивни състояния и тежки форми на мигрена.

Хиперактивирането на серотониновите рецептори (например при приемане на определени лекарства) може да доведе до халюцинации. Развитието на шизофрения може да бъде свързано с хронично повишено ниво на тяхната активност.

Мелатонин

През 1958 г. в Йейлския университет Lerner et al., от 250 000 епифизни жлези на говеда, изолират хормона на епифизната жлеза за първи път в неговата чиста форма, който е идентифициран като 5-метокси-N-ацетил-трипталин ( мелатонин).

Промените в концентрацията на мелатонин имат забележим денонощен ритъм в епифизната жлеза и в кръвта, обикновено с високо нивохормон през нощта и ниско нивопрез деня.

Синтезът на мелатонин се състои в това, че циркулиращата в кръвта аминокиселина триптофан се абсорбира от епифизните клетки, окислява се до 5-хидрокситриптофан и след това се декарбоксилира до формата на биогенен амин - серотонин (синтез на серотонин). По-голямата част от серотонина се метаболизира в епифизната жлеза с помощта на моноаминооксидаза, която разрушава серотонина в други органи. Малка част от серотонина се ацетилира в епифизната жлеза до N-ацетил серотонин и това вещество след това се превръща в 5-метокси-N-ацетилтриптамин (мелатонин). Последната стъпка в образуването на мелатонин се извършва под въздействието на специален ензим оксиндол-О-метилтрансфераза. Оказа се, че епифизната жлеза е едва ли не единствената формация, в която е открит този уникален ензим.

За разлика от серотонина, който се образува както в централната нервна система, така и в различни периферни органи и тъкани, източникът на мелатонин е по същество един орган - епифизната жлеза.

Мелатонинът регулира дейността на ендокринната система, кръвното налягане, честотата на съня, сезонния ритъм при много животни, забавя процесите на стареене, повишава ефективността на имунната система, има антиоксидантни свойства, влияе върху процесите на адаптация при смяна на часовите зони.

Освен това мелатонинът участва в регулирането на кръвното налягане, функциите на храносмилателния тракт и функционирането на мозъчните клетки.

Вече е добре известно, че съдържанието на серотонин и мелатонин в епифизната жлеза на бозайниците варира по определени начини за период от 24 часа.

При нормални условия на осветление нивата на серотонин са най-високи през деня. С настъпването на тъмнината съдържанието на серотонин в епифизната жлеза бързо намалява (максимумът е 8 часа след началото на дневната светлина, минимумът е 4 часа след тъмно).

катехоламинови хормони

АдреналинХормон, синтезиран в надбъбречната медула. Съществуването му е известно от повече от век. През 1901 г. адреналинът е изолиран от екстракт от надбъбречните жлези в кристално състояние от Takamine, Aldrich и I. Fürth. Две години по-късно Ф. Щолц дава окончателното доказателство за неговата структура чрез синтез. Адреналинът се оказал 1-(3,4-диоксифенил)-2-метиламиноетанол.

Представлява безцветен кристален прах. Притежавайки асиметричен въглероден атом, адреналинът съществува под формата на два оптични изомера. От тях лявовъртящото хормонално действие е 15 пъти по-активно от дясновъртящото. Именно той се синтезира в надбъбречните жлези.

Надбъбречната медула на човек с тегло 10 g съдържа около 5 mg адреналин. Освен това в тях са открити и хомолози на адреналина: норадреналин (0,5 mg) и изопропиладреналин (следи).

Адреналин и норепинефрин също се намират в човешката кръв. Съдържанието им във венозна кръв е съответно 0,04 и 0,2 µg%. Предполага се, че епинефринът и норепинефринът под формата на сол с АТФ се отлагат в малки количества в окончанията на нервните влакна, освобождавайки се в отговор на тяхното дразнене. В резултат на това се установява химичен контакт между края на нервното влакно и клетката или между два неврона.

И трите вещества - адреналин, норепинефрин и изопропиладреналин - имат мощен ефект върху съдова системаорганизъм. В допълнение, те повишават нивото на въглехидратния метаболизъм в организма, увеличавайки разграждането на гликогена в мускулите. Това се дължи на факта, че мускулната фосфорилаза под действието на адреналин, медииран от аденилатциклаза, преминава от неактивна форма (фосфорилаза b) в активна форма (фосфорилаза a).

По този начин адреналинът в мускулите изпълнява същата функция като глюкагона в черния дроб, осигурявайки задействане на реакцията на аденилатциклаза след взаимодействие с повърхностния хормонален рецептор на клетката-мишена.

Хормоните на симпатико-надбъбречната система, макар и да не са жизненоважни, тяхната роля в организма е изключително голяма: те осигуряват адаптация към остър и хроничен стрес. Адреналин, норадреналин и домафин са основните елементи на реакцията "бий се или бягай" (възникваща например при неочаквана среща с мечка в боровинков храст). Отговорът на същевременно изпитания страх включва бързо интегрирано преструктуриране на много сложни процеси в органите, пряко участващи в тази реакция (мозък, мускули, кардиопулмонална система и черен дроб). Адреналин в този "отговор":

) бързо доставя мастни киселини, които действат като основно основно гориво за мускулната активност;

) мобилизира глюкозата като източник на енергия за мозъка - чрез увеличаване на гликогенолизата и глюконеогенезата в черния дроб и намаляване на усвояването на глюкоза в мускулите и други органи;

) намалява отделянето на инсулин, което също така предотвратява усвояването на глюкозата от периферните тъкани, спестявайки я в резултат на централната нервна система.

Нервната стимулация на надбъбречната медула води до сливане на хромафиновите гранули с плазмената мембранаи по този начин предизвиква освобождаване на норепинефрин и адреналин чрез екзоцитоза. Този процес е зависим от калций и подобно на други екзоцитотични процеси се стимулира от холинергични и β-адренергични агенти и се инхибира от α-адренергични агенти. Катехоламините и АТФ се освобождават в същото съотношение, в каквото са налични в гранулите. Това се отнася и за други компоненти, включително DBH, калций и хромогранин А.

Повторното поемане на катехоламини от невроните е важен механизъм, който осигурява, от една страна, запазването на хормоните и, от друга страна, бързото спиране на хормоналната или невротрансмитерната активност. За разлика от симпатиковите нерви, надбъбречната медула няма механизъм за обратното поемане и съхранение на освободените катехоламини. Адреналинът, секретиран от надбъбречните жлези, навлиза в черния дроб и скелетните мускули, но след това бързо се метаболизира. Само много малка част от норепинефрина достига до отдалечени тъкани. Катехоламините циркулират в плазмата в слабо свързана форма с албумина. Те са много краткотрайни: техният биологичен полуживот е 10 - 30 секунди.

Механизмът на действие на катехоламините привлича вниманието на изследователите от почти век. В действителност много общи концепции за рецепторната биология и действието на хормоните произхождат от голямо разнообразие от изследвания.

Катехоламините действат чрез два основни класа рецептори: α-адренергични и β-адренергични. Всеки от тях е разделен на два подкласа: съответно α 1 и α 2 , β 1 и β 2 . Тази класификация се основава на относителния ред на свързване с различни агонисти и антагонисти. Адреналинът свързва (и активира) както α-, така и β-рецепторите и следователно неговият ефект върху тъканите, съдържащи рецептори от двата класа, зависи от относителния афинитет на тези рецептори към хормона. Норепинефринът във физиологични концентрации се свързва главно с α-рецепторите.

Феохромоцитомите са тумори на надбъбречната медула, които обикновено не се диагностицират, докато не започнат да произвеждат и отделят адреналин и норепинефрин в количества, достатъчни да причинят тежка хипертония. При феохромоцитом съотношението норепинефрин/адреналин често е повишено. Може би това обяснява разликите в клиничните прояви, тъй като норепинефринът се приписва на основната роля в патогенезата на хипертонията, а адреналинът се счита за отговорен за хиперметаболизма.

Пептидни и протеинови хормони

Сега са известни няколко десетки естествени пептидни хормони и техният списък постепенно се попълва.

Благодарение на широкото използване на методите на бързо развиващата се протеинова химия през последните години, редица пептидни хормони са получени в хомогенно състояние, техният аминокиселинен състав е проучен, първичният (а в случай на протеинови хормони, вторичният , третични и кватернерни) структури са идентифицирани и някои от тях са получени синтетично. Освен това големият напредък в областта на химическия синтез на пептиди направи възможно изкуственото получаване на много пептиди, които са изомери или аналози на естествени пептиди. Изследването на хормоналната активност на последните донесе изключително важна информация за връзката между структурата на пептидните хормони и тяхната функция.

Най-важните пептидни хормони са тиреотропин, инсулин, глюкагон, гастрин, окситоцин, вазопресин.

Тиротропин

Тиротропин -протеин, секретиран от предната хипофизна жлеза. Това е гликопротеин с М = 28300, съставен от две неравни субединици (М = 13600 и 14700), изключително богати на дисулфидни мостове (5 и 6, съответно). Първичната структура на тиротропина при бикове и прасета откривам.При липса на тиротропин (хипофункция на хипофизната жлеза) активността на щитовидната жлеза е отслабена, тя намалява по размер и кръвното съдържание на секретирания от нея хормон - тироксин - намалява наполовина.

По този начин тиротропинът стимулира дейността на щитовидната жлеза. От своя страна секрецията на тиреотропин се регулира на принципа на обратната връзка от хормоните на щитовидната жлеза. Следователно дейността на двете споменати ендокринни жлези е фино координирана.

Въвеждането на тиротропин предизвиква многократни промени в метаболизма: след 15-20 минути се увеличава секрецията на хормони на щитовидната жлеза и се увеличава усвояването на йод, който е необходим за синтеза на тези хормони; усвояването на кислород от щитовидната жлеза се увеличава, окислението на глюкозата се увеличава, метаболизмът на фосфолипидите и неоплазмата на РНК се активират. Сега е установено, че механизмът на действие на тиротропина, подобно на много други пептидни хормони, се свежда до активирането на аденилатциклазата, разположена в непосредствена близост до рецепторния протеин, към който се свързва тиротропинът. В резултат на това в щитовидната жлеза се ускоряват редица процеси, включително биосинтезата на тиреоидни хормони.

Инсулин

инсулин -протеин, произвеждан в β-клетките на панкреаса. Структурата му е подробно проучена. Инсулинът е първият протеин, чиято първична структура е изяснена от F. Sanger. Той е първият протеин, получен чрез химичен синтез.

За първи път присъствието в жлезата на хормон, който влияе върху метаболизма на въглехидратите, е отбелязано от Меринг и О. Минковски (1889). По-късно Л.В. Соболев (1901) установява, че източникът на инсулин в панкреаса е неговата островна част, във връзка с което през 1909 г. този хормон, който все още не е индивидуализиран, получава името инсулин (от лат. инсула- остров). През 1992 г. Ф. Бантинг и Г. Бест се подготвят за първи път активно лекарствоинсулин, а до 1926 г. са разработени методи за изолирането му във високо пречистено състояние, включително под формата на кристални препарати, съдържащи 0,36% Zn.

Инсулинът се синтезира в бета-клетките на Лангерхансовите острови по нормалния механизъм на протеинов синтез. Транслацията на инсулина започва върху рибозомите, свързани с ендоплазмения ретикулум, с образуването на инсулинов препрохормон. Този първоначален препрохормон с молекулно тегло 11500 се разцепва в ендоплазмения ретикулум до проинсулин с молекулно тегло около 9000. Освен това в апарата на Голджи по-голямата част от него се разгражда на инсулин, който е опакован в секреторни гранули и пептиден фрагмент. Но почти 1/6 от крайния секретиран продукт остава под формата на проинсулин. Проинсулинът е неактивна форма на хормона.

Молекулното тегло на кристалния инсулин е 36 000. Молекулата му е мултимер, съставен от шест протомера и два Zn атома. Протомерите образуват димери, които взаимодействат с имидазоловите радикали gis 10 B вериги и насърчават тяхното агрегиране в хексамер. Разпадайки се, мултимерът дава три субчастици с молекулно тегло 12 000 всяка. От своя страна всяка субчастица се разделя на две равни части с М = 6000. Всички изброени модификации на инсулина - протомер, дамер и хексамер - имат пълна хормонална активност. Следователно, инсулиновата молекула често се идентифицира с протомер с пълна биологична активност (М = 6000), особено след като при физиологични условия инсулинът съществува в мономерна форма. По-нататъшното фрагментиране на инсулиновата молекула (с М = 6000) във верига А (от 21 аминокиселинни остатъка) и верига В (от 30 аминокиселинни остатъка) води до загуба на хормонални свойства.

Инсулините, изолирани от панкреаса на различни животни, са почти идентични по своята първична структура. При недостатъчно ниво на биосинтеза на инсулин в човешкия панкреас (обикновено се синтезират 2 mg инсулин дневно) се развива характерно заболяване - диабет или захарен диабет. Това повишава кръвната захар (хипергликемия) и увеличава отделянето на глюкоза в урината (глюкозурия). В същото време се развиват различни вторични явления - намалява съдържанието на гликоген в мускулите, забавя се биосинтезата на пептиди, протеини и мазнини, нарушава се минералната обмяна и др.

Въвеждането на инсулин чрез инжектиране или перорално (в устата) под формата на лекарство, капсулирано в липозоми, предизвиква обратен ефект: намаляване на кръвната захар, увеличаване на запасите от мускулен гликоген, повишаване на анаболните процеси, нормализиране на минералния метаболизъм и др. Всички горепосочени явления са резултат от промяна под влиянието на инсулиновата пропускливост за глюкозата на клетъчните мембрани, на повърхността на които се откриват Са2+-зависими инсулинови рецептори с висок и нисък афинитет. Повишавайки нивото на проникване на глюкозата в клетката и субклетъчните частици, инсулинът увеличава възможностите за нейното използване в определени тъкани, независимо дали става дума за биосинтеза на гликоген от него или неговото дихотомно или апотомно разграждане.

Когато инсулинът взаимодейства с рецептора клетъчната мембранавъзбужда се активността на протеин киназния домен на инсулиновия рецептор, което засяга вътреклетъчния метаболизъм на въглехидрати, липиди и протеини. Инсулинът няма типичен аденилатциклазен механизъм на действие.

Глюкагон

В панкреаса, в допълнение към инсулина, се произвежда друг хормон, който влияе върху метаболизма на въглехидратите - глюкагон.

Това е 29-членен пептид, синтезиран в α-клетките на островната част на панкреаса. Първото споменаване на този хормон датира от 1923 г., когато I. Murlin и неговите сътрудници откриват наличието му в инсулинови препарати. През 1953 г. Ф. Straub получава глюкагон под формата на хомогенен кристален препарат и малко по-късно е изяснена неговата първична структура. Пълният синтез на глюкагон е извършен през 1968 г. (E. Wunsch и сътр.). Според рентгенов дифракционен анализ (T. Blandel) молекулата на глюкагона е предимно в α-спирална конформация и е склонна към образуване на олигомери.

Установено е, че първичната структура на човешкия и животинския глюкагон е идентична; единственото изключение е глюкагонът от пуйка, който има серин вместо аспарагин на позиция 28. Характеристика на структурата на глюкагона е липсата на дисулфидни връзки и цистеин. Глюкагонът се образува от неговия прекурсор проглюкагон, който съдържа допълнителен октапептид (8 остатъка) в С-края на полипептида, който се отцепва по време на постсинтетична протеолиза. Има доказателства, че проглюкагонът, подобно на проинсулина, има прекурсор - препроглюкагон (молекулно тегло 9000), чиято структура все още не е дешифрирана.

от биологично действиеглюкагонът, подобно на адреналина, са хипергликемични фактори, причиняващи повишаване на концентрацията на глюкоза в кръвта главно поради разграждането на гликогена в черния дроб. Прицелните органи за глюкагона са черният дроб, миокардът, мастната тъкан, но не и скелетните мускули. Биосинтезата и секрецията на глюкагон се контролират главно от концентрацията на глюкоза на принципа на обратната връзка. Аминокиселините и свободните мастни киселини имат същото свойство. Секрецията на глюкагон също се влияе от инсулин и инсулиноподобни растежни фактори.

В механизма на действие на глюкагона свързването със специфични рецептори на клетъчната мембрана е основно, полученият глюкагонов рецепторен комплекс активира аденилатциклазата и съответно образуването на сАМР. Последният, като универсален ефектор на вътреклетъчните ензими, активира протеин киназата, която от своя страна фосфорилира фосфорилаза киназа и гликоген синтаза. Фосфорилирането на първия ензим насърчава образуването на активна гликоген фосфорилаза и съответно разграждането на гликоген с образуването на глюкозо-1-фосфат, докато фосфорилирането на гликоген синтазата е придружено от преминаването му в неактивна форма и съответно блокиране на синтез на гликоген. Общият ефект на глюкагона е да ускори разграждането на гликогена и инхибирането на неговия синтез в черния дроб, което води до повишаване на концентрацията на глюкоза в кръвта.

Хипергликемичният ефект на глюкагона обаче се дължи не само на разграждането на гликогена. Съществуват неоспорими доказателства за съществуването на глюконеогенетичен механизъм за индуцирана от глюкагон хипергликемия. Установено е, че глюкагонът насърчава образуването на глюкоза от междинните продукти на метаболизма на протеини и мазнини. Глюкагонът стимулира образуването на глюкоза от аминокиселини чрез индуциране на синтеза на ензими за глюконеогенеза с участието на сАМР, по-специално фосфоенолпируват карбоксиназа, ключовият ензим на този процес. Глюкагонът, за разлика от адреналина, инхибира гликолитичното разграждане на глюкозата до млечна киселина, като по този начин допринася за хипергликемия. Той директно активира тъканната липаза чрез cAMP, осигурявайки мощен липолитичен ефект. Има и разлики във физиологичното действие: за разлика от адреналина, глюкагонът не повишава кръвното налягане и не увеличава сърдечната честота. Трябва да се отбележи, че в допълнение към панкреатичния глюкагон, наскоро беше доказано съществуването на чревен глюкагон, който се синтезира в целия храносмилателен тракт и навлиза в кръвта. Първичната структура на чревния глюкагон все още не е точно дешифрирана, но в неговата молекула са открити аминокиселинни последователности, идентични с N-терминалните и средните участъци на панкреатичния глюкагон, но различна С-терминална аминокиселинна последователност.

По този начин панкреатичните острови, синтезиращи две противоположни хормонални действия - инсулин и глюкагон, играят ключова роля в регулацията на веществата на молекулярно ниво.

Гастрин

ГастринПроизвежда се от G-клетки, локализирани в антралната лигавица на стомаха и в по-малка степен в лигавицата на дванадесетопръстника.

Има три основни природни форми на гастрин: „голям гастрин“, или гастрин-34 – полипептид от 34 аминокиселини, „малък гастрин“, или гастрин-17, състоящ се от 17 аминокиселини, и „минигастрин“, или гастрин- 14, състоящ се от 14 аминокиселини.

Той е по-хетерогенен по молекулен размер от всеки друг стомашно-чревен хормон. В допълнение, всяка от формите на гастрин съществува в сулфонирана и несулфонирана форма (според единичен тирозинов остатък). С-терминалните 14 аминокиселини в гастрин 34, гастрин 17 и гастрин 14 са идентични. Гастрин 34 присъства в кръвта в по-големи количества от гастрин 17. Това вероятно се дължи на факта, че неговият полуживот в плазмата (15 минути) е 5-7 пъти по-висок от този на гастрин 17. Последният, очевидно, действа като основен стимулатор на киселинната секреция от стомаха, който се регулира чрез механизъм на отрицателна обратна връзка, тъй като подкисляването на съдържанието на антралната област на стомаха намалява секрецията на гастрин. Гастринът също така стимулира стомашната секреция. С-краят на хормона е отговорен за биологичната активност, С-терминалният пентапептид предизвиква пълния набор от физиологични ефекти на гастрин 17, но на единица маса имам само 1/10 от неговата биологична активност.

Вазопресин и окцитоцин.

И двата хормона се произвеждат в хипоталамуса, след което се пренасят с аксоплазмения ток до нервните окончания на задната хипофизна жлеза, откъдето се секретират в кръвния поток при подходяща стимулация. Значението на този механизъм вероятно е, че ви позволява да заобиколите кръвно-мозъчната бариера. ADH се синтезира главно в супраоптичното ядро, окситоцин - в паравентрикуларното ядро. Всеки от тях се движи по аксона във форма, свързана със специфичен протеин-носител (неврофизин). Неврофизини I и II се синтезират заедно с окситоцин и ADH, съответно, като части от един протеин (понякога наричан пропресофизин), кодиран от един ген. Неврофизините I и II са особени протеини с молекулно тегло съответно 19 000 и 21 000. ADH и окситоцинът се секретират в кръвния поток поотделно, всеки със свой собствен неврофизин. В кръвта те не са свързани с протеини и имат кратък плазмен полуживот (2-4 минути).

Всеки нонапептид съдържа цистеинови молекули в позиции 1 и 6, свързани с дисулфиден мост. Аргинин-вазопресин се намира в повечето животни, но лизинът се намира в позиция 8 при прасета и сродни видове. Тъй като ADH и окситоцинът са много сходни по структура, не е изненадващо, че споделят някои общи биологични ефекти. И двата пептида се метаболизират главно в черния дроб, но почетната екскреция на ADH има значителен принос за изчезването му от кръвта.

Основните стимули за освобождаване на окситоцин са нервните импулси, които възникват при дразнене на зърната. Разтягането на вагината и матката играе второстепенна роля. Много експозиции, които причиняват секреция на окситоцин, водят до освобождаване на пролактин; предполагат, че фрагмент от окситоцин може да играе ролята на пролактин-освобождаващ фактор. Естрогенът стимулира, докато прогестеронът инхибира производството на окситоцин и неврофизин I.

Механизмът на действие на окситоцин е неизвестен. Той предизвиква свиване на гладката мускулатура на матката и затова се използва във фармакологични дози за стимулиране трудова дейностсред жените. Интересно е, че при бременни животни с увредена хипоталамо-хипофизна система няма пречки за родовата дейност. Най-вероятната физиологична функция на окситоцин е да стимулира контракциите в миоепителните клетки, заобикалящи млечните алвеоли. Това кара млякото да се премести в системата на алвеоларните канали и води до изхвърлянето му. Мембранните рецептори за окситоцин се намират в тъканите на матката и гърдата. Броят им се увеличава под въздействието на естрогените и намалява под влиянието на прогестерона. Началото на лактацията преди раждането очевидно може да се обясни с едновременното увеличаване на количеството естроген и спадането на нивата на прогестерона непосредствено преди раждането. Прогестероновите производни често се използват за потискане на следродилната лактация при жените. Окситоцин и неврофизин I изглежда също се произвеждат в яйчниците, където окситоцинът може да инхибира стероидогенезата.

Химичните групи, които са от съществено значение за действието на окситоцин, включват първичната аминогрупа на N-терминалния цистеин, фенолната група на тирозина, 3-те карбоксамидни групи на аспарагина, глутамина и глицинамида, дисулфидната връзка (S-S) връзка. Множество аналози на окситоцин са получени чрез отстраняване или заместване на тези групи. Например, отстраняването на свободната първична аминогрупа на крайния остатък на семицистеин (позиция 1) води до образуването на деаминоокситоцин, чиято антидиуретична активност е 4-5 пъти по-висока от активността на естествения окситоцин.

Нервните импулси, които причиняват секрецията на ADH, са резултат от редица различни стимулиращи фактори. Основният физиологичен стимул е повишаването на плазмения осмоларитет. Неговият ефект се медиира от осморецептори, разположени в хипоталамуса и барорецептори, разположени в сърцето и други части на съдовата система. Хемодилуцията (намаляване на осмоларитета) има обратен ефект. Други стимули включват емоционален и физически стрес и излагане на фармакологични агенти, включително ацетилхолин, никотин и морфин. В повечето случаи увеличаването на секрецията се комбинира с увеличаване на синтеза на ADH и неврофизин II, тъй като няма изчерпване на хормоналните резерви. Епинефринът и агентите, които предизвикват плазмена експанзия, потискат секрецията на ADH; етанолът има подобен ефект.

Най-физиологично важните прицелни клетки за ADH при бозайници са клетките на дисталните извити тубули и събирателните канали на бъбрека. Тези канали пресичат бъбречната медула, където осмоларният градиент на извънклетъчните разтворени вещества е 4 пъти по-висок, отколкото в плазмата. Клетките на тези канали са относително непропускливи за вода, така че при липса на ADH урината не се концентрира и може да се отделя в количества над 20 литра на ден. ADH повишава пропускливостта на клетките за вода и спомага за поддържането на осмотичния баланс между урината на събирателните канали и хипертоничното съдържание на интерстициалното пространство, така че обемът на урината остава в рамките на 0,5 - 1 литър на ден. На лигавиците (пикочните) мембрани на епителните клетки на тези структури има ADH рецептори, които са свързани с аденилат циклаза; Смята се, че действието на ADH върху бъбречните тубули се медиира от cAMP. Описаното физиологично действие е в основата на наричането на хормона "антидиуретик". cAMP и инхибиторите на фосфодиестеразата имитират ефектите на ADH. тъй като ефектът на самия cAMP не намалява.) Този механизъм може да е отчасти отговорен за повишената диуреза, която е характерна за пациенти с хиперкалцемия.

Нарушенията в секрецията или действието на ADH водят до безвкусен диабет, който се характеризира с отделяне на големи количества разредена урина. Първичен безвкусен диабет, свързан с дефицит на ADH, обикновено се развива, когато хипоталамо-хипофизният тракт е увреден поради фрактура на основата на черепа, тумор или инфекция; но може да е и наследствено. При наследствени нефрогенни диабетсекрецията на ADH остава нормална, но прицелните клетки губят способността си да реагират на хормона, вероятно поради нарушено приемане. Този наследствен дефект се различава от придобития нефрогенен безвкусен диабет, който най-често възниква при терапевтично приложение на литий при пациенти с маниакално-депресивна психоза. Синдромът на неадекватна секреция на ADH обикновено се свързва с извънматочна продукция на хормона различни тумори(обикновено белодробни тумори), но може да възникне и при мозъчно заболяване, белодробни инфекции или хипотиреоидизъм. Такава секреция се счита за неадекватна, тъй като производството на ADH става при нормално или повишена скоростпри условия на хипоосмоларност и това причинява продължителна и прогресивна хипонатремия с отделяне на хипертонична урина.

Заключение

Хидрофилните хормони и хормоноподобните вещества са изградени от аминокиселини. като протеини и пептиди или са производни на аминокиселини. Те се отлагат в големи количества в клетките на жлезите с вътрешна секреция и при необходимост навлизат в кръвта. Повечето от тези вещества се транспортират в кръвта без участието на носители. Хидрофилните хормони действат върху целевите клетки чрез свързване с рецептор на плазмената мембрана.

Хидрофилните хормони играят важна роля в човешкото тяло. Основната им функция, както на всички хормони, е да поддържат баланса в организма (хомеостаза). Те играят ключова роля в регулирането на функциите на растежа, развитието, метаболизма, реакциите към променящите се условия на околната среда и много други.

Всичко, на което реагираме – алергии, възпаления, страх и т.н., е следствие от работата на хормоните.

Освен това всяко действие, извършвано от вътрешните органи на човек, се причинява от хормони, които са вид сигнални вещества в тялото.

Библиография

1) Колман Я., Рем К. - Г., Визуална биохимия // Хормони. Хормонална система. - 2000. - стр. 358-359, 368-375.

) Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф., Биологична химия // Номенклатура и класификация на хормоните. - 1998. - стр. 250-251, 271-272.

) Филипович Ю.Б., Основи на биохимията // Хормони и тяхната роля в метаболизма. - 1999. - стр. 451-453, 455-456, 461-462.

) Овчинников Ю.А., Биоорганична химия // Пептидни хормони. - 1987. - стр.274.

) Murray R., Grenner D., Човешка биохимия // Биохимия на човешките вътреклетъчни и междуклетъчни комуникации. - 1993. - стр.181-183, 219-224, 270.

) Науменко Е.В., Попова.П.К., Серотонин и мелатонин в регулацията на ендокринната система. - 1975. - с.4-5, 8-9, 32, 34, 36-37, 44, 46.

) Grebenshchikov Yu.B., Moshkovsky Yu.Sh., Биоорганична химия // Физични и химични свойства, структура и функционална активност на инсулина. - 1986. - стр.296.

Въпроси за подготовка за урока:

1. Хормоналната регулация като механизъм за междуклетъчна и междуорганична координация на метаболизма. Основните механизми на регулиране на метаболизма: промяна в активността на ензимите в клетката, промяна в количеството ензими в клетката (индукция или потискане на синтеза), промяна в пропускливостта на клетъчните мембрани.

2. Хормони, обща характеристика, класификация на хормоните по химическа структураи биологични функции. Механизмът на действие на протеиновите хормони.

3. Механизмът на действие на хормони от стероидна природа и тироксин.

4. Хормони на хипоталамуса. Лулиберин, соматостатин, тиролиберин.

5. Хормони на хипофизата. Хормони на задната част на хипофизата: вазопресин, окситоцин.

6. Структура синтез и метаболизъм на йодтиронини.

7. Влияние на йодтиронините върху метаболизма. Хипо- и хипертиреоидизъм.

8. Хормони на надбъбречната медула. Структура, влияние върху метаболизма. биосинтеза на катехоламини.

9. Хормон на растежа, структура, функции.

10. Хормони на паращитовидните жлези. Регулиране на фосфорно-калциевия метаболизъм.

11. Инсулин. Глюкагон. Влияние върху метаболизма.

12. Хормонална картина на инсулинозависим захарен диабет

13. Хормонална картина на инсулинонезависим захарен диабет

14. Стероидни хормони. Глюкокортикоиди.

15. Полови хормони.

16. Ренин-ангиотензинова система.

17. Каликреин-кининова система.

Изпълнете задачите:

1. Либерини:

А. Малки пептиди

Б. Взаимодействат с цитоплазмени рецептори.

Б. Активират секрецията на тропни хормони.

Г. Те предават сигнал към рецепторите на предната хипофизна жлеза.

Г. Причиняват секреция на инсулин.

2. Изберете грешното твърдение. cAMP:

А. Участва в мобилизирането на гликоген.

Б. Вторият пратеник на сигнала.

Б. Протеин киназен активатор.

D. Коензим аденилат циклаза.

D. Фосфодиестеразен субстрат.

3. Подредете събитията, които се случват по време на синтеза на йодтиронини в необходим ред, използвайки цифрови обозначения:

А. Йод от тирозинови остатъци в тиреоглобулина.

Б. Синтез на тиреоглобулин.

Б. Кондензация на йодирани тирозинови остатъци.

Г. Транспорт на йодтиронини в таргетните клетки.

D. Образуване на комплекс с тироксин-свързващ протеин.

4. Подредете изброените метаболити по реда на тяхното образуване:

А. 17-ОН-прогестерон.

Б. Прегненолон.

Б. Холестерол.

G. Прогестерон

D. Кортизол.

5. Изберете хормон, чийто синтез и секреция се увеличават в отговор на повишаване на осмотичното налягане:

А. Алдостерон.

Б. Кортизол.

Б. Вазопресин.

Ж. Адреналин.

D. Глюкагон.

6. Под влияние на инсулина в черния дроб се ускоряват:

А. Биосинтеза на протеини

Б. Биосинтеза на гликоген.

Б. Глюконеогенеза.

Г. Биосинтеза на мастни киселини.

D. Гликолиза.

7. За тридневно гладуване всички изброени по-долу са верни, с изключение на:

А. Индексът на инсулин-глюкагон е намален.

B. Скоростта на глюконеогенезата от аминокиселини се увеличава.

C. Скоростта на синтеза на TAG в черния дроб намалява.

D. Скоростта на b-окисление в черния дроб намалява.

D. Концентрацията на кетонни тела в кръвта е над нормата.

8. При захарен диабет в черния дроб се случва следното:

А. Ускоряване на синтеза на гликоген.

B. Намалена скорост на глюконеогенеза от лактат.

B. Намалена скорост на мобилизация на гликоген.

D. Увеличаване на скоростта на синтез на ацетоацетат.

Г. Повишена активност на ацетил-КоА карбоксилазата.

9. Когато пациентите с NIDDM най-често се откриват:

А. Хиперглюкоземия.

Б. Намалена скорост на синтеза на инсулин.

Б. Концентрацията на инсулин в кръвта е нормална или над нормата.

Г. Антитела срещу В-клетките на панкреаса.

D. Микроангиопатия.

ЛАБОРАТОРИЯ 14

Тема: Построяване и анализ на гликемични криви

Цел: Изучаване на междинния метаболизъм на въглехидратите, ролята на въглехидратите в енергийния метаболизъм. Клинично-диагностично значение на метода на натоварване със захар при захарен диабет, болест на Адисон, хипотиреоидизъм и др.

Принцип на метода : Определянето на глюкоза се основава на реакция, катализирана от глюкозооксидаза:

глюкоза + O 2 глюконолактон + H 2 O 2

Водородният пероксид, образуван по време на тази реакция, причинява окисляване на пероксидазните субстрати с образуването на оцветен продукт.

Метод на натоварване със захар: Сутрин на празен стомах се взема кръв от пръста на пациента и се определя концентрацията на кръвната захар. След това изпийте 50-100 g глюкоза в 200 ml топла преварена вода (1 g глюкоза на 1 kg тегло) за не повече от 5 минути. След това отново се изследва съдържанието на глюкоза в кръвта, като се взема кръв от пръст на всеки 30 минути в продължение на 2-3 часа. Изгражда се графика в координати: време - концентрацията на глюкоза в кръвния серум, според вида на графиката се поставя или изяснява диагноза.

Напредък:В серумните проби (преди и след приема на глюкоза) се определя концентрацията на глюкоза. За да направите това, 2 ml от работния реагент (фосфатен буфер, субстрати на пероксидаза + глюкозооксидаза в съотношение 40:1) се добавят към серия от епруветки. В една от епруветките се добавят 0,05 ml стандартен разтвор на глюкоза с концентрация 10 mmol/l. При други - 0,05 ml кръвен серум, взет по метода на натоварване със захар. Разтворите се разклащат и се инкубират при стайна температура в продължение на 20 минути.

След инкубиране, оптичната плътност на разтворите се измерва на FEC при дължина на вълната 490 nm. Кювета с дължина на оптичния път 5 мм. Референтен разтвор - работен реактив.

Изчисляване на концентрацията на глюкоза:

C = 10 mmol/l

където E op - оптична плътност в серумни проби;

E st - оптична плътност на стандартен разтвор на глюкоза

Резултат от анализа:

График:

Заключение:

Дата: Подпис на учителя:

ПРАКТИЧЕСКИ УРОК

Тест3 Хормонална регулация на метаболизма

Ориз. 3. Схема за стимулиране на разграждането на гликоген чрез повишаване на нивото на сАМР

Сигнали на цитоскелета

Регулираната от cAMP каскадна схема на ензимни взаимодействия изглежда сложна, но в действителност е още по-сложна. По-специално, рецепторите, които се свързват с първичните месинджъри, влияят върху активността на аденилат циклазата не директно, а чрез така наречените G-протеини (фиг. 4), които работят под контрола на гуанин трифосфорната киселина (GTP).

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

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

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

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

В различни клетки cAMP може да доведе до напълно различни ефекти. Това съединение не само участва в разграждането на гликогена и мазнините, но също така увеличава сърдечната честота, влияе върху релаксацията на мускулите, контролира интензивността на секрецията и скоростта на усвояване на течности. Той е втори посредник за редица различни хормони: адреналин, вазопресин, глюкагон, серотонин, простагландин, тироид-стимулиращ хормон; cAMP действа в клетките на скелетните мускули, сърдечния мускул, гладките мускули, бъбреците, черния дроб и тромбоцитите.

Естествено възниква въпросът: защо различните клетки реагират различно на cAMP? Може да се формулира и по различен начин: защо с увеличаване на концентрацията на сАМР в различни клетки се активират различни протеин кинази, които фосфорилират различни протеини? Тази ситуация може да се илюстрира със следната аналогия. Представете си, че различни посетители постоянно идват на вратата на офиса - лиганди и първични посланици. В същото време те звънят в едно повикване: чува се сигнал - вторичен месинджър. В същото време, как служителите на институцията могат да определят кой точно е дошъл на посещение и как трябва да реагират на този посетител?

Гатанката на калциевите йони

Нека първо разгледаме какво се случва с втория изключително често срещан втори носител - калций, или по-скоро неговите йони. За първи път ключовата им роля в редица биологични реакции е показана още през 1883 г., когато Сидни Рингер забелязва, че изолирани жабешки мускули не се свиват в дестилирана вода. За да може един мускул да се свие в отговор на електрическа стимулация, той се нуждае от наличието на калциеви йони в околната среда.

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

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

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

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

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

Кратко описание:

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

МОДУЛ 4: СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ НА БИОЛОГИЧНИТЕ МЕМБРАНИ

_Теми _

4.1. основни характеристикимембрани. Структура и състав на мембраните

4.2. Транспорт на вещества през мембрани

4.3. Трансмембранна сигнализация _

Цели на обучението Да могат да:

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

2. Обяснете молекулярните механизми на действие на хормоните и другите сигнални молекули върху целевите органи.

Зная:

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

2. Основните начини за пренос на вещества през мембраните.

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

ТЕМА 4.1. ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА МЕМБРАНИТЕ.

СТРУКТУРА И СЪСТАВ НА МЕМБРАНИТЕ

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

Мембрана:

Отделете клетките от околната среда и ги разделете на отделения (отделения);

Регулират транспорта на вещества в клетките и органелите и обратно;

Осигуряват специфичност на междуклетъчните контакти;

Те получават сигнали от околната среда.

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

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

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

В мембраните има три основни вида липиди – фосфолипиди, гликолипиди и холестерол (фиг. 4.2 – 4.4). Най-често се срещат Глицерофосфолипидите са производни на фосфатидната киселина.

Ориз. 4.1. Напречно сечение на плазмената мембрана

Ориз. 4.2. Глицерофосфолипиди.

Фосфатидната киселина е диацилглицерол фосфат. R1, R2 - радикали на мастни киселини (хидрофобни "опашки"). Остатък от полиненаситена мастна киселина е свързан с втория въглероден атом на глицерола. Полярната "глава" е остатък от фосфорна киселина и хидрофилна група от серин, холин, етаноламин или инозитол, прикрепена към него

Има и липиди - производни амино алкохол сфингозин.

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

холестеролоткрит в мембраните на всички животински клетки, той втвърдява мембраните и ги намалява течливост(течливост). Молекулата на холестерола е разположена в хидрофобната зона на мембраната успоредно на хидрофобните "опашки" на фосфо- и гликолипидните молекули. Хидроксилната група на холестерола, както и хидрофилните "глави" на фосфо- и гликолипидите,

Ориз. 4.3. Производни на аминоалкохола сфингозин.

Церамид - ацилиран сфингозин (R 1 - радикал на мастна киселина). Фосфолипидите включват сфингомиелини, в които полярната група се състои от остатък от фосфорна киселина и холин, етаноламин или серин. Хидрофилната група (полярна "глава") на гликолипидите е въглехидратен остатък. Цереброзидите съдържат линеен моно- или олигозахариден остатък. Съставът на ганглиозидите включва разклонен олигозахарид, една от мономерните единици на който е NANK - N-ацетилневраминова киселина

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

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

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

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

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

Основните функции на мембранните липиди са, че те:

Те образуват липиден бислой – структурната основа на мембраните;

Осигуряват необходимата среда за функционирането на мембранните протеини;

Участват в регулацията на ензимната активност;

Служи като "котва" за повърхностни протеини;

Участват в предаването на хормонални сигнали.

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

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

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

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

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

Ориз. 4.5. Мембранни протеини:

1, 2 - интегрални (трансмембранни) протеини; 3, 4, 5, 6 - повърхностни протеини. В интегралните протеини част от полипептидната верига е вградена в липидния слой. Тези части от протеина, които взаимодействат с въглеводородни вериги от мастни киселини, съдържат предимно неполярни аминокиселини. Областите на протеина, разположени в областта на полярните "глави", са обогатени с хидрофилни аминокиселинни остатъци. Повърхностни протеини различни начиниприкрепени към мембраната: 3 - свързани с интегрални протеини; 4 - прикрепени към полярните "глави" на липидния слой; 5 - "закотвен" в мембраната с къс хидрофобен краен домен; 6 - "закотвен" в мембраната с помощта на ковалентно свързан ацилов остатък

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

Мембранните протеини могат да участват в:

Селективен транспорт на вещества в и извън клетката;

Предаване на хормонални сигнали;

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

Имунологични реакции;

Като ензими при трансформациите на веществата;

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

ТЕМА 4.2. ТРАНСПОРТ НА ВЕЩЕСТВАТА ПРЕЗ МЕМБРАНИТЕ

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

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

Ориз. 4.6. Механизми на пренос на вещества през мембрани по концентрационния градиент

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

Ориз. 4.7. Ca2+ канал на мембраната на ендоплазмения ретикулум, регулиран от инозитол-1,4,5-трифосфат (IF 3).

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

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

вторично активентранспортът възниква поради концентрационния градиент на едно от транспортираните вещества (фиг. 4.9), което най-често се създава от Na +, K + -АТФаза, която функционира с консумацията на АТФ.

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

Ориз. 4.8. Механизмът на функциониране на Ca 2 + -ATPase

Ориз. 4.9. вторичен активен транспорт

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

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

Макромолекули като пептидни хормони храносмилателни ензимипротеини на извънклетъчния матрикс, липопротеинови комплекси, се секретират в кръвта или междуклетъчното пространство от екзоцитоза.Този начин на транспортиране позволява да се отстранят от клетката вещества, които се натрупват в секреторни гранули. В повечето случаи екзоцитозата се регулира чрез промяна на концентрацията на калциеви йони в цитоплазмата на клетките.

ТЕМА 4.3. ТРАНСМЕМБРАННА СИГНАЛИЗАЦИЯ

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

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

Мембрана рецепториподразделени на:

Рецептори, съдържащи субединица, която свързва първичния месинджър и йонен канал;

Рецептори, способни да проявяват каталитична активност;

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

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

Ориз. 4.10. Рецептори, разположени в мембраната.

Мембранните рецептори могат да бъдат разделени на три групи. Рецептори: 1 - съдържащ субединица, която свързва сигналната молекула и йонния канал, например ацетилхолиновия рецептор на постсинаптичната мембрана; 2 - проявяване на каталитична активност след добавяне на сигнална молекула, например инсулинов рецептор; 3, 4 - предаване на сигнал към ензима аденилат циклаза (АС) или фосфолипаза С (PLC) с участието на мембранни G протеини, напр. различни видоверецептори за адреналин, ацетилхолин и други сигнални молекули

Роля вторични пратенициизвършват молекули и йони:

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

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

IP 3 (инозитол-1,4,5-трифосфат);

DAG (диацилглицерол);

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

G-протеин свързани рецептори

Взаимодействието на хормоните със свързаните с G-протеин рецептори води до активиране на системата за инозитол фосфатна сигнална трансдукция или промени в активността на регулаторната система на аденилат циклазата.

2. Аденилатциклазна системавключва (фиг. 4.11):

- интегралнапротеини на цитоплазмената мембрана:

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

R; - рецептор на първичния месинджър - ACS инхибитор;

Ензимът аденилат циклаза (АС).

- "закотвен"протеини:

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

Ориз. 4.11. Функциониране на аденилатциклазната система

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

Последователност от събития на трансдукция на първичен месинджър сигнал от аденилатциклазната система

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

Взаимодействието на α,-GTP с регулаторния център на аденилатциклазата променя конформацията на ензима, води до неговото активиране и увеличаване на скоростта на образуване на втория посредник - цикличен аденозин-3,5'-монофосфат (cAMP) от ATP. Концентрацията на сАМР се увеличава в клетката. Молекулите сАМР могат обратимо да се свързват с регулаторните субединици на протеин киназа А (PKA), която се състои от две регулаторни (R) и две каталитични (C) субединици - (R 2 C 2). Комплекс R 2 C 2 не притежава ензимна активност. Прикрепването на сАМР към регулаторните субединици причинява промяна в тяхната конформация и загуба на комплементарност към С-субединиците. Каталитичните субединици придобиват ензимна активност.

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

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

Инактивиране на аденилат циклаза и протеин киназа А

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

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

Фосфорилирани ензими и протеини фосфопротеин фосфатазапреминават в дефосфорилирана форма, тяхната конформация, активност и скорост на процесите, в които участват тези ензими, се променят. В резултат на това системата се връща в първоначалното си състояние и е готова да се активира отново, когато хормонът взаимодейства с рецептора. По този начин се осигурява съответствието на съдържанието на хормона в кръвта и интензивността на реакцията на целевите клетки.

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

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

Остатъкът повишава афинитета на транскрипционния фактор (CREB-(P) към специфичната последователност на ДНК-CRE регулаторната зона (cAMP-response element) и стимулира експресията на определени протеинови гени.

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

Ориз. 4.13. Инозитол фосфатна система

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

Последователност от събития на трансдукция на първичен месинджър сигнал от инозитол фосфатната система

Свързването на активатора на инозитол фосфатната система към рецептора (R) води до промяна в неговата конформация. Афинитетът на рецептора към Gfls протеина се увеличава. Прикрепването на първичния месинджър-рецепторен комплекс към Gf ​​ls-GDP намалява афинитета на af ls-субединица към GDP и увеличава афинитета към GTP. В активното място субединицата af ls на БВП се заменя с GTP. Това причинява промяна в конформацията на af ls субединицата и намаляване на афинитета към βγ субединици и настъпва дисоциация на Gf ls протеина. Отделената субединица af ls-GTP се движи странично през мембраната към ензима фосфолипаза С.

Взаимодействието на aphls-GTP с мястото на свързване на фосфолипаза С променя конформацията и активността на ензима, повишава скоростта на хидролиза на фосфолипида на клетъчната мембрана - фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат (FIF 2) (фиг. 4.14).

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

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

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

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

Увеличаването на концентрацията на Ca 2+ в цитозола на клетката увеличава скоростта на взаимодействие на Ca 2+ с неактивен цитозолен ензим протеин киназа С (PKC).Свързването на PKC с калциевите йони стимулира движението на протеина към плазмената мембрана и позволява на ензима да взаимодейства с отрицателно заредените "глави" на молекулите на мембранния фосфатидилсерин (PS). Диацилглицеролът, заемайки специфични места в протеин киназа С, допълнително повишава афинитета си към калциевите йони. От вътрешната страна на мембраната се образува активна форма на PKC (PKC? Ca2+? PS? DAG), която фосфорилира специфични ензими.

Активирането на IF системата е краткотрайно и след като клетката отговори на стимула, фосфолипаза С, протеин киназа С и Са2+-калмодулин-зависимите ензими се инактивират. af ls - Субединицата в комплекс с GTP и фосфолипаза С проявява ензимна (GTP-фосфатазна) активност, хидролизира GTP. Свързаната с GDP af ls субединица губи своя афинитет към фосфолипаза С и се връща в първоначалното си неактивно състояние, т.е. е включен в αβγ-GDP комплекса Gf ls-протеин).

Отделянето на af ls-GDF от фосфолипаза С инактивира ензима и хидролизата на FIF 2 спира. Увеличаването на концентрацията на Ca 2+ в цитозола активира Ca 2+ -ATPase на ендоплазмения ретикулум, цитоплазмената мембрана, която "изпомпва" Ca 2 + от цитозола на клетката. В този процес участват и Na+/Ca 2+- и H+/Ca 2+-носители, които функционират на принципа на активния антипорт. Намаляването на концентрацията на Ca 2+ води до дисоциация и инактивиране на Ca 2+ -калмодулин-зависимите ензими, както и загуба на афинитета на протеин киназа С към мембранните липиди и намаляване на нейната активност.

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

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

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

Ориз. 4.15. Активиране на инсулиновия рецептор.

Фосфопротеин фосфатазата дефосфорилира специфични фосфопротеини.

Фосфодиестеразата превръща cAMP в AMP и cGMP в GMP.

GLUT 4 - преносители на глюкоза в инсулинозависимите тъкани.

Тирозин протеин фосфатазата дефосфорилира β-субединицата на рецептора

инсулин

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

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

фосфопротеин фосфатаза(FPF), който дефосфорилира специфични фосфопротеини;

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

ГЛУТ 4- носители на глюкоза в инсулинозависимите тъкани, поради което се увеличава усвояването на глюкоза в клетките на мускулите и мастната тъкан;

тирозин протеин фосфатазакойто дефосфорилира β-субединицата на инсулиновия рецептор;

ядрени регулаторни протеини, транскрипционни фактори,увеличаване или намаляване на генната експресия на определени ензими.

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

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

Последователността от събития на предаване на сигнали на първични посланици (растежни фактори) с участието на Ras- и Raf-протеини.

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

осигурява неговото взаимодействие с закотвения Ras-GDF мембранен протеин. Образуването на комплекса FR?R?Grb2?SOS?Ras-GDP намалява афинитета на Ras протеина към GDP и повишава афинитета към GTP.

Заместването на GDP с GTP променя конформацията на Ras протеина, който се освобождава от комплекса и взаимодейства с Raf протеина в мембранната област. Комплексът Ras-GTP-Raf проявява активност на протеин киназа и фосфорилира ензима MEK киназа. Активираната MEK киназа на свой ред фосфорилира MAP киназата при треонин и тирозин.

Фиг.4.16. MAP киназна каскада.

Рецепторите от този тип имат епидермален растежен фактор (EGF), нервен растежен фактор (NGF) и други растежни фактори.

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

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

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

Рецептори с гуанилатциклазна активностсе наричат ​​също каталитични рецептори. Гуанилат циклазакатализира образуването на cGMP от GTP, който е един от важните посланици (медиатори) на вътреклетъчното предаване на сигнала (фиг. 4.17).

Ориз. 4.17. Регулиране на активността на мембранната гуанилат циклаза.

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

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

6. Предаване на сигнал чрез вътреклетъчни рецептори.Химически хидрофобните хормони (стероидни хормони и тироксин) могат да дифундират през мембраните, така че техните рецептори се намират в цитозола или клетъчното ядро.

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

Последователност от събития, водещи до промяна в скоростта на транскрипция

Хормонът преминава през липидния двоен слой на клетъчната мембрана. В цитозола или ядрото хормонът взаимодейства с рецептора. Комплексът хормон-рецептор преминава в ядрото и се прикрепя към регулаторната нуклеотидна последователност на ДНК - подобрител(фиг. 4.18) или заглушител.Наличността на промотора за РНК полимераза се увеличава при взаимодействие с усилвател или намалява при взаимодействие със заглушител. Съответно скоростта на транскрипция на определени структурни гени се увеличава или намалява. Зрелите тРНК се освобождават от ядрото. Скоростта на транслация на определени протеини се увеличава или намалява. Промени в количеството протеини, които влияят на метаболизма и функционално състояниеклетки.

Във всяка клетка има рецептори, включени в различни сигнални преобразувателни системи, които трансформират всички външни сигналивъв вътреклетъчно. Броят на рецепторите за определен първи пратеник може да варира от 500 до над 100 000 на клетка. Те са разположени на мембраната отдалечено една от друга или са концентрирани в определени области от нея.

Ориз. 4.18. Предаване на сигнал до вътреклетъчни рецептори

б) от таблицата изберете липидите, участващи в:

1. Активиране на протеин киназа С

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

3. Образуване на миелиновите обвивки на нервните влакна

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

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

2. Избери верния отговор.

Конформационната лабилност на протеините носители може да бъде повлияна от:

B. Промяна в електрическия потенциал през мембраната

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

3. Задайте съвпадение:

A. ER калциев канал B. Ca 2 +-ATPase

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

1. Пренася Na+ по концентрационния градиент

2. Действа по механизма на улеснена дифузия

3. Пренася Na+ срещу концентрационния градиент

4. Прехвърлете масата. 4.2. тетрадка и я попълнете.

Таблица 4.2. Аденилат циклаза и инозитол фосфатни системи

Структура и етапи на работа	Аденилатциклазна система	Инозитол фосфатна система
Пример за първичен месинджър на системата
Интегрален протеин на клетъчната мембрана, взаимодействащ комплементарно с първичния носител
Сигнален ензимен активиращ протеин
Ензимна система, образуваща вторичен(и) вестител(и)
Вторичен месинджър(и) на системата
Цитозолен (e) ензим (и) на системата, взаимодействащ (e) с втори пратеник
Механизмът на регулиране (в тази система) на активността на ензимите на метаболитните пътища
Механизми за намаляване на концентрацията на вторични посредници в таргетната клетка
Причината за намаляване на активността на мембранния ензим на сигналната система

ЗАДАЧИ ЗА САМОКОНТРОЛ

1. Задайте съвпадение:

А. Пасивен симпорт Б. Пасивен антипорт

B. Ендоцитоза D. Екзоцитоза

D. Първичен активен транспорт

1. Транспортирането на вещество в клетката става заедно с част от плазмената мембрана

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

3. Преносът на вещества протича срещу концентрационния градиент

2. Изберете верният отговор.

аг-GTP-свързаната G-протеинова субединица активира:

А. Рецептор

Б. Протеин киназа А

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

3. Задайте съвпадение.

функция:

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

Б. Превръща протеин киназа А в активната й форма

D. Повишава концентрацията на Ca 2+ в цитозола на клетката E. Активира протеин киназа C

Втори пратеник:

4. Задайте съвпадение.

Функциониране:

A. Възможност за странична дифузия в двуслойната мембрана

Б. В комбинация с първичния месинджър, той се присъединява към подобрителя

B. Проявява ензимна активност при взаимодействие с първичния носител

G. Може да взаимодейства с G-протеин

D. Взаимодейства с фосфолипаза С по време на предаване на сигнала Рецептор:

1. Инсулин

2. Адреналин

3. Стероиден хормон

5. Изпълнете задачата "верига":

а) пептидните хормони взаимодействат с рецепторите:

А. В цитозола на клетката

B. Интегрални протеини на мембраните на прицелните клетки

Б. В клетъчното ядро

G. Ковалентно свързан с FIF 2

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

А. Хормон

Б. Междинни метаболити

B. Втори посредници D. Ядрени протеини

в) тези молекули могат да бъдат:

A. TAG B. GTP

B. FIF 2 D. cAMP

G) те активират:

А. Аденилатциклаза

B. Ca 2+ -зависим калмодулин

B. Протеин киназа A D. Фосфолипаза C

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

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

B. Активиране на протеинфосфатаза

D. Промени в експресията на регулаторни протеинови гени

6. Изпълнете задачата "верига":

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

А. Промени в локализацията на FR-R комплекса

Б. Димеризация и трансавтофосфорилиране на рецептора

B. Промяна в конформацията на рецептора и прикрепването към Gs протеина D. Движение на FR-R комплекса

б) такива промени в структурата на рецептора повишават неговия афинитет към повърхностния протеин на мембраната:

B. Raf G. Grb2

в) това взаимодействие увеличава вероятността от прикрепване към цитозолния протеинов комплекс:

А. Калмодулина Б. Рас

B. PCS D. SOS

G) което увеличава комплементарността на комплекса към "закотвения" протеин:

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

A. cAMP B. GTP

B. GDF G. ATP

д) това вещество се заменя с:

A. GDF B. AMP

B. cGMP D. GTP

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

A. PKA B. Калмодулин

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

A. MEK киназа B. Протеин киназа C

B. Протеин киназа A D. MAP киназа

и) Този ензим от своя страна активира:

A. MEK киназа B. Протеин киназа G

B. Raf протеин D. MAP киназа

й) протеиновото фосфорилиране повишава неговия афинитет към:

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

k) активирането на тези протеини води до:

А. Дефосфорилиране на GTP в активния център на Ras протеина Б. Намален афинитет на рецептора към растежния фактор

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

м) в резултат на това:

A. SOS протеинът се освобождава от рецептора

Б. Настъпва дисоциация на рецепторни протомери (R).

B. Ras протеинът се отделя от Raf протеина

Г. Повишава се пролиферативната активност на таргетната клетка.

СТАНДАРТИ ЗА ОТГОВОРИ НА „ЗАДАЧИ ЗА САМОКОНТРОЛ“

1. 1-Б, 2-А, 3-Г

3. 1-Б, 2-Г, 3-Ж

4. 1-C, 2-D, 3-B

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

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

ОСНОВНИ ТЕРМИНИ И ПОНЯТИЯ

1. Устройство и функции на мембраните

2. Транспорт на вещества през мембрани

3. Структурни особености на мембранните протеини

4. Трансмембранни сигнални трансдукционни системи (аденилат циклаза, инозитол фосфат, гуанилат циклаза, каталитични и вътреклетъчни рецептори)

5. Първични посланици

6. Вторични пратеници (посредници)

ЗАДАЧИ ЗА АУДИТОРНА РАБОТА

1. Вижте фиг. 4.19 и изпълнете следните задачи:

а) назоваване на вида транспорт;

б) задайте реда на събитията:

А. Cl - напуска клетката по концентрационния градиент

Б. Протеин киназа А фосфорилира R-субединицата на канала

Б. Промени в конформацията на R-субединица

D. Настъпват кооперативни конформационни промени в мембранния протеин

D. Аденилатциклазната система се активира

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

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

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

Таблица 4.3. Начини за регулиране на функционирането на каналите

Решавам проблеми

1. Съкращението на сърдечния мускул активира Ca 2 +, чието съдържание в цитозола на клетката се увеличава поради функционирането на cAMP-зависимите носители на цитоплазмената мембрана. От своя страна концентрацията на cAMP в клетките се регулира от две сигнални молекули – адреналин и ацетилхолин. Освен това е известно, че адреналинът, взаимодействайки с β2-адренергичните рецептори, повишава концентрацията на сАМР в миокардните клетки и стимулира сърдечен дебити ацетилхолин, взаимодействайки с М2-холинергичните рецептори, намалява нивото на сАМР и контрактилитета на миокарда. Обяснете защо два първични посланика, използвайки една и съща система за сигнална трансдукция, предизвикват различен клетъчен отговор. За това:

а) представя схемата на сигнална трансдукция за адреналин и ацетилхолин;

b) посочват разликата в сигналните каскади на тези пратеници.

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

а) назовете втория месинджър, осигуряващ отваряне на ER Ca 2+ канали;

б) напишете реакцията за образуване на втори посланик;

в) представя схемата на трансмембранна сигнална трансдукция на ацетилхолин, по време на чието активиране регулаторният лиганд Ca 2+ -can-

3. Изследователите на инсулинов рецептор са идентифицирали значителна промяна в гена за протеин, един от субстратите на инсулиновия рецептор. Как нарушаването на структурата на този протеин ще повлияе на функционирането на инсулиновата сигнална система? За да отговорите на въпрос:

а) дайте диаграма на трансмембранното сигнализиране на инсулина;

б) назовете протеините и ензимите, които активират инсулина в прицелните клетки, посочете тяхната функция.

4. Ras протеинът е "закотвен" протеин в цитоплазмената мембрана. Функцията на "котвата" се изпълнява от 15-въглеродния остатък на фарнезил H 3 C-(CH 3) C \u003d CH-CH 2 - [CH 2 - (CH 3) C \u003d CH-CH 2 ] 2 -, който е прикрепен към протеина чрез ензима фарнезилтрансфераза по време на пост-транслационна модификация. В момента инхибиторите на този ензим са подложени на клинични изпитвания.

Защо употребата на тези лекарства нарушава сигналната трансдукция на растежния фактор? За отговор:

а) представя схемата на сигнална трансдукция, включваща Ras протеини;

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

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

5. Стероидният хормон калцитриол активира усвояването на хранителния калций чрез увеличаване на количеството на Ca 2+ протеини носители в чревните клетки. Обяснете механизма на действие на калцитриол. За това:

а) дайте обща схема на сигнална трансдукция на стероидни хормони и опишете нейното функциониране;

б) назовете процеса, който активира хормона в ядрото на целевата клетка;

в) посочете в каква матрична биосинтеза ще участват синтезираните в ядрото молекули и къде се осъществява тя.

Общи идеи за пътищата на сигнална трансдукция

За повечето регулаторни молекули между свързването им с мембранния рецептор и крайния отговор на клетката, т.е. чрез промяна на работата му се вклинява сложна поредица от събития - определени пътища за предаване на сигнала, наречени иначе пътища на сигнална трансдукция.

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

В някои случаи последният етап от сигналната трансдукция се състои във фосфорилирането на определени ефекторни протеини, което води до повишаване или инхибиране на тяхната активност, а това от своя страна определя клетъчния отговор, необходим на тялото. Извършва се фосфорилиране на протеини протеин киназа,и дефосфорилиране протеинова фосфатаза.

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

ните молекули влияят клетъчни процесичрез сигнални трансдукционни пътища, включващи хетеротримерни GTP-свързващи протеини (хетеротримерни G-протеини)или мономерни GTP-свързващи протеини (мономерни G-протеини).

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

AT в общи линиипът на сигнална трансдукция, включващ G-протеини - протеин кинази включва следните стъпки.

1. Лигандът се свързва с рецептора на клетъчната мембрана.

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

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

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

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

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

Ориз. 2-1. Някои каскади от събития, които се реализират в клетката поради вторични медиатори.

Обозначения: * - активиран ензим

Мембранни рецептори, свързани с G протеини

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

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

Следва (фиг. 2-2 B) молекулярната организация на аденилат циклазата, ензим, който произвежда сАМР (първият открит втори носител). Регулаторният път на аденилат циклазата се счита за класическия път на сигнална трансдукция, медииран от G-протеин.

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

Фигура 2-2B показва как фосфолипаза С разцепва фосфатидилинозитол 4,5-дифосфат в инозитол-1,4,5-трифосфат и диацилглицерол. И двете вещества, инозитол-1,4,5-трифосфат и диацилглицерол, са вторични посредници. IP3 се свързва със специфични лиганд-зависими Ca 2+ канали на ендоплазмения ретикулум и освобождава Ca 2+ от него; повишава концентрацията на Ca 2+ в цитозола. Диацилглицеролът, заедно с Са2+, активира друг важен клас протеин кинази, протеин киназа С.

След това е показана структурата на някои вторични месинджъри (фиг. 2-2 D-F): cAMP, GMF,

cGMP.

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

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

Хетеротримерни G протеини

Хетеротримерният G-протеин се състои от три субединици: α (40 000-45 000 Da), β (около 37 000 Da) и γ (8 000-10 000 Da). Сега са известни около 20 различни гена, които кодират тези субединици, включително най-малко четири гена на β-субединица на бозайници и приблизително седем гена на γ-субединица на бозайници. Функцията и специфичността на G протеин обикновено, макар и не винаги, се определя от неговата α субединица. В повечето G протеини β и γ субединиците са тясно свързани. Някои хетеротримерни G протеини и пътищата на трансдукция, в които те участват, са изброени в таблица 1. 2-1.

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

На фиг. 2-3 представени общ принципработа на хетеротримерни G-протеини. В повечето G протеини, α субединицата е "работната единица" на хетеротримерните G протеини. Активирането на повечето G протеини води до конформационна промяна в тази субединица. Неактивните G протеини съществуват главно под формата на αβγ хетеротримери,

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

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

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

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

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

Мономерни G протеини

Клетките съдържат друго семейство GTP-свързващи протеини, наречени мономерен GTP-свързващи протеини. Известни са още като G-протеини с ниско молекулно теглоили малки G протеини(молекулно тегло 20 000-35 000 Da). Таблица 2-2 изброява основните подкласове на мономерни GTP-свързващи протеини и някои от техните свойства. Ras-подобни и Rho-подобни мономерни GTP-свързващи протеини участват в пътя на сигнална трансдукция на етапа на сигнална трансдукция от рецепторна тирозин киназа на растежен фактор към вътреклетъчни ефектори. Сред процесите, регулирани от пътищата на сигнална трансдукция, в които участват мономерни GTP-свързващи протеини, са удължаването на полипептидната верига по време на протеиновия синтез, клетъчната пролиферация и диференциация, тяхната злокачествена трансформация, контрол на актиновия цитоскелет, комуникация между цитоскелета

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

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

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

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

Механизъм на действие на хетеротримерни G-протеини

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

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

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

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

Пътища на сигнална трансдукция чрез хетеротримерни G протеини

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

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

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

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

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

А - в трите дадени примера свързването на невротрансмитера с рецептора води до активиране на G-протеина и последващо включване на пътища на втория месинджър. Gs, Gq и Gi означават три различни типа хетеротримерни G протеини. B - регулирането на клетъчните протеини чрез фосфорилиране води до повишаване или инхибиране на тяхната активност, а това от своя страна определя клетъчния отговор, необходим на тялото. Фосфорилирането на протеините се осъществява от протеин кинази, а дефосфорилирането от протеин фосфатази. Протеин киназата пренася фосфатна група (Pi) от АТФ към серинови, треонинови или тирозинови остатъци на протеини. Това фосфорилиране обратимо променя структурата и функцията на клетъчните протеини. И двата вида ензими, кинази и фосфатази, се регулират от различни вътреклетъчни вторични посредници.

Пътища на активиране на вътреклетъчни протеин кинази

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

Фигура 2-7А демонстрира активирането на хетеротримерни G s -тип G протеини с α s тип α субединица, което възниква поради свързване с лиганда на рецептора и води до факта, че α s -субединица от G s -тип G протеините свързват GTP и след това се дисоциират от βγ-димера и след това взаимодействат с аденилат циклаза.Това води до повишаване на нивата на cAMP и активиране на PKA.

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

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

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

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

Първоначалното краткотрайно активиране на протеин киназа С става под действието на диацилглицерол, който се освобождава, когато се активира фосфолипаза С β, а също и под влиянието на Ca 2+, освободен от вътреклетъчното съхранение от IP 3 . Дълготрайното активиране на протеин киназа С се задейства от рецептор-зависими фосфолипази A 2 и D. Те действат основно върху фосфатидилхолина, главния мембранен фосфолипид. Фосфолипаза А 2 отделя от него мастна киселина на второ място (обикновено ненаситена) и лизофосфатидилхолин. И двата продукта активират определени изоформи на протеин киназа С. Рецептор-зависимата фосфолипаза D разцепва фосфатидилхолина, за да образува фосфатидна киселина и холин. Фосфатидната киселина допълнително се разцепва до диацилглицерол, който участва в дългосрочното стимулиране на протеин киназа С.

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

Обозначения: R - рецептор, L - лиганд

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

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

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

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

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

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

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

Обозначения: UDP-глюкоза - уридиндифосфат глюкоза

Хормонална регулация на активността на аденилатциклазата

Фигура 2-9А показва основния механизъм на хормонално индуцирано стимулиране и инхибиране на аденилат циклазата. Взаимодействието на лиганда с рецептора, свързан с α субединицата тип α (стимулиращо), причинява активиране на аденилат циклаза, докато взаимодействието на лиганда с рецептора, свързано с субединицата α i тип α (инхибиторно), причинява инхибиране на ензима. G βγ субединицата е идентична както в стимулиращите, така и в инхибиторните G протеини. G α -субединиците и рецепторите са различни. Лиганд-стимулираното образуване на активни G α GTP комплекси възниква чрез същите механизми както в G αs, така и в G αi протеините. Въпреки това, G αs GTP и G αi GTP взаимодействат по различен начин с аденилат циклазата. Единият (G αs GTP) стимулира, а другият G αi GTP) инхибира неговата каталитична активност.

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

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

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

Протеин киназа С и свързани сигнални пътища

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

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

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

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

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

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

Фосфолипази и свързани сигнални пътища, използвайки арахидонова киселина като пример

Някои агонисти се активират чрез G протеини фосфолипаза А 2,който действа върху мембранните фосфолипиди. Продуктите от техните реакции могат да активират протеин киназа С. По-специално, фосфолипаза А 2 отделя мастната киселина, разположена на второ място, от фосфолипидите. Поради факта, че някои фосфолипиди съдържат арахидонова киселина в тази позиция, причиненото от фосфолипаза А2 разцепване на тези фосфолипиди освобождава значително количество от нея.

Гореописаният сигнален път на арахидоновата киселина, свързан с фосфолипаза А2, се нарича директен. индиректен начинактивирането на арахидоновата киселина е свързано с фосфолипаза C β.

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

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

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

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

Калмодулин: структура и функции

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

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

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

миозиновата лека верига и фосфорилаза киназата действат само върху един клетъчен субстрат, докато други са полифункционални и фосфорилират повече от един субстратен протеин.

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

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

Ориз. 2-12. Калмодулин.

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

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

Рецептори със собствена ензимна активност (каталитични рецептори)

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

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

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

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

Друго семейство мембранни рецептори, които не са свързани с G-протеини, се състои от протеини със собствена тирозин-протеин киназна активност. Рецептори със собствена тирозин-протеин киназна активностса протеини с гликозилиран извънклетъчен домен, единственият

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

Към суперсемейството пептидни рецепторинаричани инсулинови рецептори. Освен това е тирозин протеин киназа. В подклас рецептори, принадлежащи към семейството на инсулиновите рецептори, нелигандният рецептор съществува като дисулфидно свързан димер. Взаимодействието с инсулин води до конформационни промени в двата мономера, което увеличава свързването на инсулина, активира рецепторната тирозин киназа и води до повишено рецепторно автофосфорилиране.

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

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

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

Ориз. 2-13. каталитични рецептори.

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

Свързани с рецептор тирозин-протеинкинази на примера на интерферонови рецептори

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

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

фосфорилират един друг, както и рецептора. Членовете на семейството на преобразувателя на сигнала и активатора на транскрипцията (STAT) свързват фосфорилирани домени върху комплекса рецептор-JAK. STAT протеините се фосфорилират от JAK кинази и след това се отделят от сигналния комплекс. В крайна сметка фосфорилираните STAT протеини образуват димери, които се придвижват към ядрото, за да активират транскрипцията на определени гени.

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

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

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

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

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

Активирането на Ras задейства път на сигнална трансдукция, който в крайна сметка води до транскрипция на определени гени, които насърчават клетъчния растеж. Каскадата MAP киназа (MAPK) участва в отговорите, когато Ras е активиран. Протеин киназа С също активира MAP киназната каскада. По този начин, MAP киназната каскада е важен моментконвергенция за различни ефекти, които причиняват клетъчна пролиферация. Освен това има кръстосване между протеин киназа С и тирозин кинази. Например, у изоформата на фосфолипаза С се активира чрез свързване към активиран Ras протеин. Това активиране се прехвърля към протеин киназа С по време на стимулиране на фосфолипидната хидролиза.

Фигура 2-15 показва механизъм с 10 стъпки.

1. Свързването на лиганда води до димеризация на рецептора.

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

3.GRB 2 (протеин-2, свързан с рецептор на растежен фактор), SH2-съдържащ протеин, разпознава фосфотирозинови остатъци върху активирания рецептор.

4. GRB 2 свързването включва SOS (син на седем)обменен протеин гуанин нуклеотид.

5.SOS активира Ras, образувайки GTP вместо GDP върху Ras.

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

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

8.MEK фосфорилира MAP киназа (MAPK), което също се причинява от извънклетъчен сигнал - регулаторна киназа (ERK 1, ERK 2). MAPK активирането изисква двойно фосфорилиране при съседни серинови и тирозинови остатъци.

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

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

чрез свързване към него. Тази каскада води до фосфорилиране и активиране на MAP киназа, която от своя страна фосфорилира транскрипционни фактори, протеинови субстрати и други протеин кинази, важни за клетъчното делене и други реакции. Ras активирането зависи от адапторни протеини, свързващи се с фосфотирозинови домени на рецептори, активирани от растежен фактор. Тези адапторни протеини се свързват и активират GNRF (гуанин нуклеотиден обменен протеин), който активира Ras.

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

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

CREB, широко разпространен транскрипционен фактор, обикновено се свързва с регион на ДНК, наречен CRE (cAMP отговор елемент).При липса на стимулация CREB се дефосфорилира и не засяга транскрипцията. Многобройни пътища на сигнална трансдукция чрез активиране на кинази (като PKA, Ca 2+ /калмодулин киназа IV, MAP киназа) водят до фосфорилиране на CREB. Фосфорилираният CREB се свързва CBP(CREB-свързващ протеин- CREB-свързващ протеин), който има домейн, който стимулира транскрипцията. Успоредно с това, фосфорилирането активира РР1

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

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

Фигура 2-15 също показва структурата на cAMP-зависимата PKA, която в отсъствието на cAMP се състои от четири субединици: две регулаторни и две каталитични. Наличието на регулаторни субединици инхибира ензимната активност на комплекса. Свързването на cAMP индуцира конформационна промяна в регулаторните субединици, което води до отделяне на регулаторните субединици от каталитичните. Каталитичните PKA влизат в клетъчното ядро ​​и започват горния процес.

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