Hormoni. Šta je ovo?

Nomenklatura i klasifikacija hormona

Principi prijenosa hormonskog signala do ciljnih stanica

hidrofilni hormoni

Metabolizam peptidnih hormona

Inaktivacija i degradacija

Mehanizam djelovanja hidrofilnih hormona

Drugi glasnici

Cyclic AMP

Uloga jona kalcijuma

Glavni predstavnici hidrofilnih hormona

Histamin

Serotonin

Melatonin

kateholaminskih hormona

Peptidni i proteinski hormoni

Thyrotropin

Insulin

Glukagon

Gastrin

Zaključak

Bibliografija

Hormoni. Šta je ovo?

Hormoni su signalne tvari koje se proizvode u stanicama endokrinih žlijezda. Nakon sinteze, hormoni ulaze u krvotok i prenose se do ciljnih organa, gdje obavljaju određene biohemijske i fiziološke regulatorne funkcije.

Svaki hormon je centralna karika u složenom sistemu hormonske regulacije. Hormoni se sintetiziraju u obliku prekursora, prohormona, i često se talože u specijaliziranim stanicama endokrinih žlijezda. Odavde ulaze u krvotok kao metabolički neophodni. Većina hormona se transportuje u obliku kompleksa sa proteinima plazme, takozvanim transporterima hormona, a vezivanje za transportere je reverzibilno. Hormoni se razgrađuju odgovarajućim enzimima, obično u jetri. Konačno, hormoni i njihovi produkti razgradnje izlučuju se iz tijela putem sistema za izlučivanje, obično putem bubrega. Svi ovi procesi utiču na koncentraciju hormona i kontrolnu signalizaciju.

U ciljnim organima postoje ćelije koje nose receptore koji mogu da vežu hormone i na taj način percipiraju hormonski signal. Nakon vezivanja hormona, receptori prenose informaciju ćeliji i započinju lanac biohemijskih reakcija koje određuju ćelijski odgovor na djelovanje hormona.

Hormoni se koriste u organizmu za održavanje njegove homeostaze, kao i za regulaciju mnogih funkcija (rast, razvoj, metabolizam, odgovor na promjene uslova okoline).

Nomenklatura i klasifikacija hormona

Hemijska priroda gotovo svih poznatih hormona je detaljno razjašnjena (uključujući primarnu strukturu proteinskih i peptidnih hormona), ali do sada nisu razvijeni opći principi za njihovu nomenklaturu. Hemijski nazivi mnogih hormona tačno odražavaju njihovu hemijsku strukturu i veoma su glomazni. Stoga se češće koriste trivijalni nazivi hormona. Prihvaćena nomenklatura ukazuje na izvor hormona (na primjer, inzulin - od latinskog insula - otočić) ili odražava njegovu funkciju (na primjer, prolaktin, vazopresin). Za neke hormone hipofize (na primjer, luteinizirajući i folikulostimulirajući), kao i za sve hormone hipotalamusa, razvijena su nova radna imena.

Slična situacija postoji iu pogledu klasifikacije hormona. Hormoni se klasifikuju u zavisnosti od mesta njihove prirodne sinteze, prema čemu se razlikuju hormoni hipotalamusa, hipofize, štitne žlezde, nadbubrežne žlezde, gušterače, gonada, gušave itd. anatomska klasifikacija nije dovoljno savršeno, jer se neki hormoni sintetiziraju u pogrešnim žlijezdama unutrašnja sekrecija, iz koje se izlučuju u krv (na primjer, hormoni stražnje hipofize, vazopritisak i oksitocin se sintetiziraju u hipotalamusu, odakle se prenose u stražnju hipofizu), ili se sintetiziraju u drugim žlijezdama (npr. djelomična sinteza polnih hormona vrši se u korteksu nadbubrežne žlijezde, sinteza prostaglandina se događa ne samo u prostati, već iu drugim organima) itd. S obzirom na ove okolnosti, pokušano je da se stvori moderna klasifikacija hormona na osnovu njihove hemijske prirode. U skladu sa ovom klasifikacijom razlikuju se tri grupe pravih hormona:

) peptidni i proteinski hormoni,

) hormoni - derivati ​​aminokiselina i 3) hormoni steroidne prirode. Četvrtu grupu čine eikozanoidi - supstance slične hormonima koje imaju lokalno dejstvo.

Peptidni i proteinski hormoni uključuju od 3 do 250 ili više aminokiselinskih ostataka. To su hormoni hipotalamusa i hipofize (tiroliberin, somatoliberin, somatostatin, hormon rasta, kortikotropin, tirotropin itd. - vidi dole), kao i hormoni pankreasa (insulin, glukagon). Hormoni - derivati ​​aminokiselina su uglavnom predstavljeni derivatima aminokiseline tirozin. To su niskomolekularna jedinjenja adrenalin i norepinefrin, sintetizirani u meduli nadbubrežne žlijezde, te hormoni štitnjače (tiroksin i njegovi derivati). Hormoni 1. i 2. grupe su visoko rastvorljivi u vodi.

Steroidni hormoni su hormoni rastvorljivi u mastima. korteks nadbubrežne žlijezde (kortikosteroidi), polni hormoni (estrogeni i androgeni) i hormonski oblik vitamina D.

Eikozanoidi, koji su derivati ​​polinezasićene masne kiseline (arahidonske), predstavljeni su sa tri podklase jedinjenja: prostaglandini, tromboksani i leukotrieni. Ova nerastvorljiva i nestabilna jedinjenja ispoljavaju svoje efekte na ćelije u blizini mesta njihove sinteze.

Principi prijenosa hormonskog signala do ciljnih stanica

Postoje dvije glavne vrste prijenosa hormonskog signala do ciljnih stanica. Lipofilni hormoni ulaze u ćeliju, a zatim ulaze u jezgro. Hidrofilni hormoni djeluju na nivou ćelijske membrane.

hormonski signal hidrofilnog hormona

Lipofilni hormoni, koji uključuju steroidne hormone, tiroksin i retinoičnu kiselinu, slobodno prodiru kroz plazma membranu u ćeliju, gdje stupaju u interakciju s visoko specifičnim receptorima. Kompleks hormon-receptor u obliku dimera vezuje se za hromatin u jezgri i pokreće transkripciju određenih gena. Poboljšanje ili supresija sinteze mRNA (mRNA) podrazumijeva promjenu koncentracije specifičnih proteina (enzima) koji određuju reakciju stanice na hormonski signal.

Hormoni koji su derivati ​​aminokiselina, kao i peptidni i proteinski hormoni, čine grupu hidrofilnih signalnih supstanci. Ove tvari se vezuju za specifične receptore na vanjskoj površini plazma membrane. Vezanje hormona prenosi signal na unutrašnju površinu membrane i time pokreće sintezu sekundarnih glasnika (posrednika). Intermedijarni molekuli potenciraju ćelijski odgovor na djelovanje hormona.

hidrofilni hormoni

Definicija.

Hidrofilni hormoni i supstance slične hormonima građene su od aminokiselina, kao što su proteini i peptidi, ili su derivati ​​aminokiselina. U velikim količinama se talože u ćelijama endokrinih žlijezda i po potrebi ulaze u krv. Većina ovih supstanci se transportuje u krvotoku bez sudjelovanja nosača. Hidrofilni hormoni djeluju na ciljne stanice tako što se vezuju za receptor na plazma membrani.

Metabolizam peptidnih hormona

Biosinteza.

Za razliku od steroida, peptidni i proteinski hormoni su primarni proizvodi biosinteze. Odgovarajuća informacija se čita iz DNK (DNK) u fazi transkripcije, a sintetizovana hnRNA (hnRNA) se oslobađa iz introna usled spajanja (1). mRNA (mRNA) kodira peptidnu sekvencu, koja po molekularnoj težini najčešće značajno nadmašuje zreli hormon. Originalni lanac aminokiselina uključuje signalni peptid i propeptid prekursor hormona. Translacija mRNA se dešava na ribosomima na uobičajen način (2). Prvo se sintetiše signalni peptid. Njegova funkcija je da veže ribozome na grubom endoplazmatskom retikulumu [RER (rER)] i vodi rastući peptidni lanac u lumen RER (3). Sintetizirani proizvod je prekursor hormona, prohormon. Sazrijevanje hormona se odvija kroz ograničenu proteolizu i naknadnu (post-translacijsku) modifikaciju, kao što je formiranje disulfidnog mosta, glikozilacija i fosforilacija (4). Zreli hormon se taloži u ćelijskim vezikulama, odakle se luči po potrebi zbog egzocitoze.

Biosinteza peptidnih i proteinskih hormona i njihovo lučenje su pod kontrolom hijerarhijskog sistema hormonske regulacije. U ovom sistemu, joni kalcijuma učestvuju kao sekundarni glasnik; povećanje koncentracije kalcija stimulira sintezu i lučenje hormona.

Analiza hormonalnih gena pokazuje da ponekad isti gen kodira mnogo potpuno različitih peptida i proteina. Jedan od najviše proučavanih je pro-opiomelanokortin gen [POMC (POMC)]. Zajedno sa nukleotidnom sekvencom koja odgovara kortikotropinu [adrenokortikotropni hormon, ACTH (ACTH)], ovaj gen uključuje preklapajuće sekvence koje kodiraju niz malih peptidnih hormona, naime α-, β- i γ-melanotropine [MSH (MSH)], β- i γ - lipotropini (LPG (LPH)], β-endorfin i met-enkefalin. Potonji hormon se takođe može formirati iz β-endorfina. Prohormon za ovu familiju je tzv. poliprotein. Signal o tome koji peptid treba da bude dobijen i izlučen dolazi iz regulatornog sistema nakon što je završena sinteza prepropeptida. Najvažniji produkt koji se izlučuje iz poliproteina hipofize kodira POMC gen je hormon kortikotropin (ACTH), koji stimulira lučenje kortizola u korteksu nadbubrežne žlijezde. funkcije drugih peptida nisu u potpunosti shvaćene.

Inaktivacija i degradacija

Razgradnja peptidnih hormona često počinje već u krvi ili na zidovima krvnih sudova, a posebno je intenzivan u bubrezima. Neki peptidi koji sadrže disulfidne mostove, kao što je inzulin, mogu biti inaktivirani zbog smanjenja cistinskih ostataka (1).Druge proteinsko-peptidne hormone hidroliziraju proteinaze, odnosno egzo- (2) (na krajevima lanca) i endopeptidaze (3). Proteoliza rezultira stvaranjem mnogih fragmenata, od kojih neki mogu biti biološki aktivni. Mnogi proteinsko-peptidni hormoni se uklanjaju iz cirkulacijskog sistema vezivanjem za membranski receptor i naknadnom endocitozom kompleksa hormon-receptor. Do razgradnje takvih kompleksa dolazi u lizosomima; krajnji proizvod razgradnje su aminokiseline, koje se opet koriste kao supstrati u anaboličkim i kataboličkim procesima.

Lipofilni i hidrofilni hormoni imaju različit poluživot u cirkulacijskom sistemu (tačnije, biohemijski poluživot, t1/2). U poređenju sa hidrofilnim hormonima (t1/2 od nekoliko minuta ili sati), lipofilni hormoni žive mnogo duže (t1/2 od nekoliko sati ili dana). Biohemijski poluživot hormona zavisi od aktivnosti sistema razgradnje. Izlaganje sistema degradaciji lijekovima ili oštećenju tkiva može uzrokovati promjenu brzine razgradnje, a time i koncentracije hormona.

Mehanizam djelovanja hidrofilnih hormona

Većina hidrofilnih signalnih supstanci ne može proći kroz lipofilnu staničnu membranu. Stoga se prijenos signala u ćeliju vrši preko membranskih receptora (provodnika signala). Receptori su integralni membranski proteini koji vezuju signalne supstance na vanjskoj strani membrane i promjenom prostorne strukture stvaraju novi signal na unutrašnjoj strani membrane. Ovaj signal određuje transkripciju određenih gena i aktivnost enzima koji kontroliraju metabolizam i interakciju s citoskeletom.

Postoje tri tipa receptora.

Receptori prvog tipa su proteini koji imaju jedan transmembranski polipeptidni lanac. To su alosterični enzimi, čiji se aktivni centar nalazi na unutrašnjoj strani membrane. Mnoge od njih su tirozin protein kinaze. Ovoj vrsti pripadaju receptori za insulin, faktore rasta i citokine.

Vezivanje signalne supstance dovodi do dimerizacije receptora. U tom slučaju dolazi do aktivacije enzima i fosforilacije ostataka tirozina u nizu proteina. Prvo se fosforilira molekul receptora (autofosforilacija). Fosfotirozin vezuje SH2 domen proteina nosača signala, čija je funkcija prenošenje signala intracelularnim protein kinazama.

jonski kanali. Ovi receptori tipa II su oligomerni membranski proteini koji formiraju ionski kanal aktiviran ligandom. Vezivanje liganda dovodi do otvaranja kanala za Na+, K+ ili Cl- jone. Prema ovom mehanizmu vrši se djelovanje neurotransmitera, kao što su acetilkolin (nikotinski receptori: Na + - i K + kanali) i γ-aminobutirna kiselina (A receptor: Cl - kanal).

Receptori trećeg tipa spojeni sa GTP-vezujućim proteinima. Polipeptidni lanac ovih proteina uključuje sedam transmembranskih lanaca. Takvi receptori signaliziraju preko GTP-vezujućih proteina na efektorske proteine, koji su povezani enzimi ili jonski kanali. Funkcija ovih proteina je da mijenjaju koncentraciju jona ili sekundarnih glasnika.

Dakle, vezivanje signalne supstance za membranski receptor podrazumeva jednu od tri varijante intracelularnog odgovora: receptorske tirozin kinaze aktiviraju intracelularne protein kinaze, aktivacija ligandom aktiviranih jonskih kanala dovodi do promene koncentracije jona i aktivacije receptori vezani za GTP-vezujuće proteine ​​induciraju sintezu supstanci posrednika, sekundarnih glasnika. Sva tri sistema za prenos signala su međusobno povezana. Na primjer, formiranje drugog glasnika cAMP (cAMP) dovodi do aktivacije protein kinaze A [PK-A (PK-A)], sekundarni glasnik diacilglicerol [DAG (DAG)] aktivira [PK-C (PK- C)], a sekundarni glasnik inozitol-1,4,5-trifosfat [IP3 (InsP3)] uzrokuje povećanje koncentracije Ca2+ jona u ćelijskoj citoplazmi.

Transdukcija signala pomoću G proteina G proteini su porodica proteina koji pripadaju GTPazama i funkcionišu kao drugi glasnici u intracelularnim signalnim kaskadama. G-proteini su tako nazvani jer u svom signalnom mehanizmu koriste zamjenu GDP-a GTP-om kao molekularno funkcionalni "prekidač" za regulaciju ćelijskih procesa.Proteini prenose signal od receptora trećeg tipa do efektorskih proteina. Sastoje se od tri podjedinice: α, β i γ. α-podjedinica ima sposobnost da veže nukleotide gvanina [GTP (GTP) ili GDP (GDP)]. Protein pokazuje slabu aktivnost GTPaze i sličan je drugim proteinima koji se vezuju za GTP kao što su ras i faktor elongacije Tu (EF-Tu). U neaktivnom stanju, G-protein je povezan s BDP-om.

Kada se signalna supstanca veže za receptor tipa 3, konformacija potonjeg se menja na takav način da kompleks dobija sposobnost da veže G protein. Povezivanje G-proteina sa receptorom dovodi do razmene GDP-a za GTP (1). U tom slučaju se aktivira G-protein, odvaja se od receptora i disocira na α-podjedinicu i β,γ-kompleks. ΓΤΦ-α podjedinica se vezuje za efektorske proteine ​​i menja njihovu aktivnost, što rezultira otvaranjem ili zatvaranjem jonskih kanala, aktivacijom ili inhibicijom enzima (2). Spora hidroliza vezanog GTP u GDP pretvara α-podjedinicu u neaktivno stanje i ona se ponovo povezuje sa β,γ-kompleksom, tj. G-protein se vraća u prvobitno stanje.

Drugi glasnici

Sekundarni glasnici, ili glasnici, su unutarćelijske supstance čija je koncentracija strogo kontrolirana hormonima, neurotransmiterima i drugim ekstracelularnim signalima. Takve tvari nastaju iz dostupnih supstrata i imaju kratak biohemijski poluživot. Najvažniji sekundarni prenosioci su cAMP (cAMP), cGTP (cGTP), Ca2+, inozitol-1,4,5-trifosfat [IP3 (lnsP3)], diacilglicerol [DAG (DAG)] i dušikov monoksid (NO).

Cyclic AMP

Biosinteza. cAMP nukleotid (3,5"-cikloadenozin monofosfat, cAMP) sintetiziraju membranske adenilat ciklaze, familija enzima koji kataliziraju reakciju ciklizacije ATP (ATP) sa stvaranjem cAMP i anorganskog pirofosfata. Razgradnju cAMP u formiranje AMP (AMP) kataliziraju fosfodiesteraze, koje su inhibirane pri visokim koncentracijama metiliranih derivata ksantina, kao što je kofein.

Aktivnost adenilat ciklaze kontroliraju G proteini, koji su zauzvrat povezani s receptorima tipa 3 kontroliranim vanjskim signalima. Većina G-proteina (Gs-proteina) aktivira adenilat ciklazu, neki G-proteini je inhibiraju (Gi-proteini). Neke adenilat ciklaze se aktiviraju kompleksom Ca2+/kalmodulin.

Mehanizam djelovanja. cAMP je alosterični efektor protein kinaza A (PK-A) i jonskih kanala (vidi str. 372). U svom neaktivnom stanju, PK-A je tetramer čije dvije katalitičke podjedinice (K-podjedinice) inhibiraju regulatorne podjedinice (P-podjedinice) (autoinhibicija). Kada je cAMP vezan, P-podjedinice se odvajaju od kompleksa i K-jedinice se aktiviraju. Enzim može fosforilirati određene ostatke serina i treonina u preko 100 različitih proteina, uključujući mnoge enzime (vidi str. 158) i faktore transkripcije. Kao rezultat fosforilacije, funkcionalna aktivnost ovih proteina se mijenja.

Uz cAMP, cGMP (cGMP) također može obavljati funkcije drugog glasnika. Oba spoja se razlikuju po metabolizmu i mehanizmu djelovanja.

Uloga jona kalcijuma

Nivo jona kalcijuma. Koncentracija Ca2+ jona u citoplazmi nestimulisane ćelije je veoma niska (10-100 nM). Nizak nivo održavaju kalcijum ATPaze (kalcijum pumpe) i natrijum-kalcijum izmenjivači. Oštar porast koncentracije iona Ca2+ u citoplazmi (do 500-1000 nM) nastaje kao rezultat otvaranja kalcijevih kanala u plazma membrani ili intracelularnim depoima kalcija (glatki i grubi endoplazmatski retikulum). Otvaranje kanala može biti uzrokovano depolarizacijom membrane ili djelovanjem signalnih supstanci, neurotransmitera (glutamat i ATP, vidi str. 342), sekundarnih glasnika (IP3 i cAMP), kao i supstance biljnog porijekla rijanodina. U citoplazmi i ćelijskim organelama postoji mnogo proteina sposobnih za vezanje Ca2+, od kojih neki djeluju kao pufer.

U visokoj koncentraciji u citoplazmi, ioni Ca2+ imaju citotoksični učinak na ćeliju. Zbog toga nivo kalcijuma u pojedinoj ćeliji doživljava kratkoročne eksplozije, povećavajući se za 5-10 puta, a stimulacija ćelije samo povećava učestalost ovih fluktuacija.

Djelovanje kalcija je posredovano posebnim Ca2+-vezujućim proteinima ("kalcijum senzori"), koji uključuju aneksin, kalmodulin i troponin (vidi str. 326). Kalmodulin je relativno mali protein (17 kDa) prisutan u svim životinjskim ćelijama. Kada su četiri Ca2+ jona vezana (plavi krugovi na dijagramu), kalmodulin prelazi u aktivni oblik sposoban za interakciju s brojnim proteinima. Zbog aktivacije kalmodulina, joni Ca2+ utiču na aktivnost enzima, jonskih pumpi i komponenti citoskeleta.

Inozitol-1,4,5-trifosfat i diacilglicerol

Hidroliza fosfatidilinozitol-4,5-difosfata [FIF2 (PlnsP2)] fosfolipazom C dovodi do stvaranja dva sekundarna glasnika: inozitol-1,4,5-trifosfata i diacilglicerola. Hidrofilni IP3 ulazi u endoplazmatski retikulum [ER (ER)] i inducira oslobađanje Ca2+ jona iz vezikula za skladištenje. Lipofilni DAG ostaje u membrani i aktivira protein kinazu C, koja u prisustvu Ca2+ fosforilira različite proteinske supstrate, modulirajući njihovu funkcionalnu aktivnost.

Glavni predstavnici hidrofilnih hormona

Derivati ​​aminokiselina.

Naravno, najveće grupe hormona su steroidni hormoni i peptidni hormoni. Ali postoje i druge grupe.

Biogeni amini (histamin, serotonin, melatonin) i kateholamini (dopa, dopamin, norepinefrin i epinefrin) nastaju dekarboksilacijom aminokiselina.

Histamin

Histamin u ljudskom organizmu - tkivni hormon, posrednik koji reguliše vitalne funkcije organizma i igra značajnu ulogu u patogenezi niza bolesnih stanja.

Ovaj hormon se taloži u mastocitima i bazofilima u obliku kompleksa sa heparinom, slobodni histamin se brzo deaktivira oksidacijom kataliziranom diamin oksidazom, ili metiliran histamin-N-metiltransferazom. Konačni metaboliti histamina - imidazoliloctena kiselina i N-metilhistamin izlučuju se urinom.

Histamin je u ljudskom tijelu u neaktivnom stanju. Kod povreda, stresa, alergijskih reakcija, količina slobodnog histamina značajno raste. Količina histamina se također povećava kada u tijelo uđu razni otrovi, određena hrana i određeni lijekovi.

Slobodni histamin izaziva spazam glatkih mišića (uključujući mišiće bronha i krvnih sudova), proširenje kapilara i smanjenje krvnog pritiska, stagnaciju krvi u kapilarama i povećanje propusnosti njihovih zidova, izaziva oticanje okolnog tkiva i zgušnjavanje krvi, stimulira oslobađanje adrenalina i ubrzan rad srca.

Histamin ispoljava svoje djelovanje preko specifičnih ćelijskih histaminskih receptora. Trenutno postoje tri grupe histaminskih receptora, koje su označene kao H1, H2 i H3.

Histamin igra značajnu ulogu u fiziologiji probave. U želucu, histamin luče ćelije sluznice slične enterohromafinu (ECL-). Histamin stimuliše proizvodnju hlorovodonične kiseline delujući na H2 receptore na parijetalnim ćelijama želučane sluznice. Razvijen je i aktivno se koristi u liječenju bolesti zavisnih od kiseline (čir na želucu i dvanaestopalačnom crijevu, GERB itd.) niz lijekova koji se zovu H2-blokatori histaminskih receptora, koji blokiraju djelovanje histamina na parijetalne stanice, čime se smanjuje lučenje hlorovodonične kiseline. kiseline u lumen želuca.

Serotonin

Serotonin(5-hidroksitriptamin, 5-HT) otkriven je prilikom traženja vazokonstriktora pronađenog u krvi. Vrlo brzo je identificiran sa enteraminom koji je ranije otkrio Erspamer u crijevima i dešifrovana je njegova hemijska struktura, što se pokazalo vrlo jednostavno.

Oko 90% serotonina nalazi se u crijevima, i to gotovo isključivo u enterohromafinskim stanicama. Takođe se nalazi u slezeni, jetri, bubrezima, plućima i raznim endokrinim žlezdama.

Serotonin ima i u glavnom mozgu (relativno mnogo u hipotalamusu i srednjem mozgu, manje u talamusu, hipopolitu, uopšte nije pronađen u corpus callosum i malog mozga) i u kičmenoj moždini.

Serotonin se formira od aminokiseline triptofana njegovom sekvencijalnom 5-hidroksilacijom pomoću enzima 5-triptofan hidroksilaze (koja rezultira 5-hidroksitriptofanom, 5-HT), a zatim dekarboksilacijom rezultirajućeg hidroksitriptofana pomoću enzima triptofan5-dekarboksilazetofan hidroksilaza. sintetiziran samo u somi serotonergičkih neurona, hidroksilacija se javlja u prisustvu jona željeza i kofaktora pteridina.

Serotonin igra važnu ulogu u procesima zgrušavanja krvi. Krvne pločice sadrže značajne količine serotonina i imaju sposobnost hvatanja i skladištenja serotonina iz krvne plazme. Serotonin povećava funkcionalnu aktivnost trombocita i njihovu sklonost agregaciji i stvaranju krvnih ugrušaka. Stimulacijom specifičnih serotoninskih receptora u jetri, serotonin izaziva povećanje sinteze faktora zgrušavanja u jetri. Oslobađanje serotonina iz oštećenih tkiva jedan je od mehanizama za osiguranje koagulacije krvi na mjestu ozljede.

Serotonin je uključen u procese alergija i upala. Povećava vaskularnu permeabilnost, pojačava kemotaksu i migraciju leukocita na mjesto upale, povećava sadržaj eozinofila u krvi, pospješuje degranulaciju mastocita i oslobađanje drugih medijatora alergije i upale. Lokalna (npr. intramuskularna) primjena egzogenog serotonina uzrokuje jak bol na mjestu injekcije. Pretpostavlja se da serotonin, zajedno sa histaminom i prostaglandinima, iritirajući receptore u tkivima, igra ulogu u pojavi bolnih impulsa sa mjesta ozljede ili upale.

Također, velika količina serotonina se proizvodi u crijevima. Serotonin igra važnu ulogu u regulaciji motiliteta i sekrecije u gastrointestinalnom traktu, pojačavajući njegovu peristaltiku i sekretornu aktivnost. Osim toga, serotonin igra ulogu faktora rasta za neke vrste simbiotskih mikroorganizama, pojačava metabolizam bakterija u debelom crijevu. Same bakterije debelog crijeva također donekle doprinose izlučivanju serotonina u crijevima, jer mnoge simbiotske bakterije imaju sposobnost dekarboksilacije triptofana. Kod disbakterioze i niza drugih bolesti debelog crijeva, proizvodnja serotonina u crijevima je značajno smanjena.

Masivno oslobađanje serotonina iz umirućih ćelija želučane i crijevne sluznice pod utjecajem citotoksičnih kemoterapijskih lijekova jedan je od uzroka mučnine i povraćanja, dijareje tokom kemoterapije malignih tumora. Slično stanje se javlja kod nekih malignih tumora koji ektopično proizvode serotonin.

Visok sadržaj serotonina je također zabilježen u maternici. Serotonin igra ulogu u parakrinoj regulaciji kontraktilnosti materice i jajovoda i u koordinaciji porođaja. Proizvodnja serotonina u miometriju se povećava nekoliko sati ili dana prije porođaja i još više se povećava direktno tokom porođaja. Također, serotonin je uključen u proces ovulacije - sadržaj serotonina (i niza drugih biološki aktivnih tvari) u folikularnoj tekućini povećava se neposredno prije rupture folikula, što, očigledno, dovodi do povećanja intrafolikularnog pritiska.

Serotonin ima značajan uticaj na procese ekscitacije i inhibicije u genitalnom sistemu. Na primjer, povećanje koncentracije serotonina kod muškaraca odgađa početak ejakulacije.

Nedostatak ili inhibicija serotonergičke transmisije, na primjer, uzrokovana smanjenjem nivoa serotonina u mozgu, jedan je od faktora u nastanku depresivnih stanja i teških oblika migrene.

Hiperaktivacija serotoninskih receptora (na primjer, prilikom uzimanja određenih lijekova) može dovesti do halucinacija. Razvoj shizofrenije može biti povezan s kronično povišenim nivoom njihove aktivnosti.

Melatonin

Godine 1958., na Univerzitetu Yale, Lerner et al., iz 250.000 goveđih epifiza, po prvi put su izolovali hormon epifize u njegovom čistom obliku, koji je identificiran kao 5-metoksi-N-acetil-triptalin ( melatonin).

Promjene u koncentraciji melatonina imaju primjetan dnevni ritam u epifizi i krvi, obično s visoki nivo hormona tokom noći i nizak nivo tokom dana.

Sinteza melatonina se sastoji u tome da aminokiselinu triptofan koja cirkulira u krvi apsorbiraju epifizne stanice, oksidira se u 5-hidroksitriptofan i zatim dekarboksilira u oblik biogenog amina - serotonina (sinteza serotonina). Većina serotonina se metabolizira u epifizi uz pomoć monoamin oksidaze, koja uništava serotonin u drugim organima. Manji dio serotonina se acetilira u epifizi u N-acetil serotonin, a ova supstanca se zatim pretvara u 5-metoksi-N-acetiltriptamin (melatonin). Posljednji korak u stvaranju melatonina odvija se pod utjecajem posebnog enzima oksindol-O-metiltransferaze. Ispostavilo se da je epifiza gotovo jedina formacija u kojoj je pronađen ovaj jedinstveni enzim.

Za razliku od serotonina, koji se formira kako u centralnom nervnom sistemu tako i u raznim perifernim organima i tkivima, izvor melatonina je u suštini jedan organ - epifiza.

Melatonin reguliše aktivnost endokrinog sistema, krvni pritisak, učestalost spavanja, sezonski ritam kod mnogih životinja, usporava proces starenja, pojačava efikasnost imunog sistema, ima antioksidativna svojstva i utiče na procese adaptacije pri promeni vremenskih zona.

Osim toga, melatonin je uključen u regulaciju krvnog tlaka, funkcije probavnog trakta i funkcioniranje moždanih stanica.

Sada je dobro poznato da sadržaj serotonina i melatonina u epifizi sisara varira na određene načine u periodu od 24 sata.

U normalnim uslovima osvetljenja, nivoi serotonina su najviši tokom dana. Sa početkom mraka, sadržaj serotonina u epifizi naglo opada (maksimum je 8 sati nakon početka dnevnog perioda, minimum je 4 sata nakon mraka).

kateholaminskih hormona

Adrenalin Hormon koji se sintetizira u meduli nadbubrežne žlijezde. Za njeno postojanje poznato je više od jednog veka. Godine 1901. adrenalin su izolovali iz ekstrakta nadbubrežnih žlijezda u kristalnom stanju Takamine, Aldrich i I. Fürth. Dvije godine kasnije, F. Stolz je sintezom dao konačni dokaz njegove strukture. Ispostavilo se da je adrenalin 1-(3,4-dioksifenil)-2-metilaminoetanol.

To je bezbojni kristalni prah. Posjedujući asimetrični atom ugljika, adrenalin postoji u obliku dva optička izomera. Od toga, levorotatorno hormonsko djelovanje je 15 puta aktivnije od desnorotacijskog. On je taj koji se sintetizira u nadbubrežnim žlijezdama.

Srž nadbubrežne žlijezde čovjeka težine 10 g sadrži oko 5 mg adrenalina. Osim toga, u njima su pronađeni i homolozi adrenalina: noradrenalin (0,5 mg) i izopropiradrenalin (u tragovima).

Adrenalin i norepinefrin se takođe nalaze u ljudskoj krvi. Njihov sadržaj u venskoj krvi je 0,04 i 0,2 µg%, respektivno. Pretpostavlja se da se epinefrin i norepinefrin u obliku soli sa ATP-om talože u malim količinama u završecima nervnih vlakana, oslobađajući se kao odgovor na njihovu iritaciju. Kao rezultat, uspostavlja se hemijski kontakt između kraja nervnog vlakna i ćelije ili između dva neurona.

Sve tri supstance - adrenalin, norepinefrin i izopropiradrenalin - snažno utiču na vaskularni sistem organizam. Osim toga, povećavaju razinu metabolizma ugljikohidrata u tijelu, povećavajući razgradnju glikogena u mišićima. To je zbog činjenice da mišićna fosforilaza, pod djelovanjem adrenalina posredovanog adenilat ciklazom, prelazi iz neaktivnog oblika (fosforilaza b) u aktivni oblik (fosforilaza a).

Dakle, adrenalin u mišićima obavlja istu funkciju kao glukagon u jetri, osiguravajući pokretanje reakcije adenilat ciklaze nakon interakcije s površinskim hormonskim receptorom ciljne stanice.

Hormoni simpatičko-nadbubrežnog sistema, iako nisu vitalni, njihova uloga u organizmu je izuzetno velika: omogućavaju adaptaciju na akutni i hronični stres. Adrenalin, noradrenalin i domafin su glavni elementi reakcije "bori se ili bježi" (koja se javlja, na primjer, prilikom neočekivanog susreta s medvjedom u grmu borovnice). Odgovor na strah koji se doživljava u isto vrijeme uključuje brzo integrirano restrukturiranje mnogih složenih procesa u organima koji su direktno uključeni u ovu reakciju (mozak, mišići, kardiopulmonalni sistem i jetra). Adrenalin u ovom "odgovoru":

) brzo opskrbljuje masnim kiselinama, koje djeluju kao glavno primarno gorivo za mišićnu aktivnost;

) mobilizira glukozu kao izvor energije za mozak - povećanjem glikogenolize i glukoneogeneze u jetri i smanjenjem preuzimanja glukoze u mišićima i drugim organima;

) smanjuje oslobađanje insulina, što takođe sprečava apsorpciju glukoze u perifernim tkivima, čuvajući je, kao rezultat za centralni nervni sistem.

Nervna stimulacija medule nadbubrežne žlijezde dovodi do fuzije kromafinskih granula sa plazma membrana, te tako uzrokuje oslobađanje norepinefrina i adrenalina egzocitozom. Ovaj proces je ovisan o kalcijumu i, kao i drugi egzocitotički procesi, stimuliran je holinergičkim i β-adrenergičkim agensima i inhibiran α-adrenergičkim agensima. Kateholamini i ATP se oslobađaju u istom omjeru u kojem su prisutni u granulama. Ovo se odnosi i na druge komponente, uključujući DBH, kalcijum i hromogranin A.

Ponovno preuzimanje kateholamina od strane neurona važan je mehanizam koji osigurava, s jedne strane, očuvanje hormona, as druge strane brzi prestanak hormonske ili neurotransmiterske aktivnosti. Za razliku od simpatičkih nerava, meduli nadbubrežne žlijezde nedostaje mehanizam za ponovno preuzimanje i skladištenje oslobođenih kateholamina. Adrenalin koji luče nadbubrežne žlijezde ulazi u jetru i skeletne mišiće, ali se zatim brzo metabolizira. Samo vrlo mali dio norepinefrina dospijeva u udaljena tkiva. Kateholamini cirkulišu u plazmi u slabo povezanom obliku sa albuminom. Vrlo su kratkog vijeka: njihov biološki poluživot je 10-30 sekundi.

Mehanizam djelovanja kateholamina privlači pažnju istraživača već skoro jedno stoljeće. Zaista, mnogi opći koncepti biologije receptora i djelovanja hormona potiču iz širokog spektra studija.

Kateholamini djeluju kroz dvije glavne klase receptora: α-adrenergičke i β-adrenergičke. Svaka od njih je podijeljena u dvije podklase: α 1 i α 2 , β 1 i β 2 . Ova klasifikacija se zasniva na relativnom redosledu vezivanja za različite agoniste i antagoniste. Adrenalin veže (i aktivira) i α- i β-receptore, te stoga njegov učinak na tkivo koje sadrži receptore obje klase zavisi od relativnog afiniteta ovih receptora za hormon. Norepinefrin se u fiziološkim koncentracijama veže uglavnom za α-receptore.

Feohromocitomi su tumori medule nadbubrežne žlijezde koji se obično ne dijagnosticiraju sve dok ne počnu proizvoditi i lučiti adrenalin i norepinefrin u količinama dovoljnim da izazovu tešku hipertenziju. Kod feohromocitoma, odnos norepinefrina/adrenalina je često povišen. Možda to objašnjava razlike u kliničkim manifestacijama, budući da se norepinefrinu pripisuje glavna uloga u patogenezi hipertenzije, a adrenalin se smatra odgovornim za hipermetabolizam.

Peptidni i proteinski hormoni

Sada je poznato nekoliko desetina prirodnih peptidnih hormona, a njihova lista se postepeno popunjava.

Zahvaljujući raširenoj upotrebi metoda ubrzano razvijajuće hemije proteina poslednjih godina, određeni broj peptidnih hormona je dobijen u homogenom stanju, proučavan je njihov aminokiselinski sastav, primarni (a kod proteinskih hormona sekundarni). , tercijarne i kvartarne) strukture su identificirane, a neke od njih su pripremljene sintetički. Štaviše, veliki napredak u oblasti hemijske sinteze peptida je omogućio da se veštački dobiju mnogi peptidi koji su izomeri ili analozi prirodnih peptida. Proučavanje hormonske aktivnosti ovih potonjih donijelo je izuzetno važne informacije o odnosu strukture peptidnih hormona i njihove funkcije.

Najvažniji peptidni hormoni su tirotropin, insulin, glukagon, gastrin, oksitocin, vazopresin.

Thyrotropin

tirotropin - protein koji luči prednja hipofiza. To je glikoprotein sa M = 28300, sastavljen od dve nejednake podjedinice (M = 13600 i 14700), izuzetno bogat disulfidnim mostovima (5 i 6, respektivno). Primarnu strukturu tirotropina kod bikova i svinja saznajem.Uz nedostatak tirotropina (hipofunkcija hipofize) oslabljena je aktivnost štitne žlijezde, smanjuje se u veličini, a u krvi se izlučuje hormon hormona. - tiroksin - je prepolovljen.

Dakle, tirotropin stimuliše aktivnost štitne žlezde. Zauzvrat, lučenje tirotropina regulirano je principom povratne sprege hormona štitnjače. Posljedično, aktivnost dvije navedene endokrine žlijezde je fino koordinirana.

Uvođenje tirotropina uzrokuje višestruke pomake u metabolizmu: nakon 15-20 minuta povećava se lučenje hormona štitnjače i povećava se njegova apsorpcija joda, koji je neophodan za sintezu ovih hormona; Povećava se unos kisika u štitnu žlijezdu, povećava se oksidacija glukoze, aktivira se metabolizam fosfolipida i RNA neoplazma. Sada je otkriveno da se mehanizam djelovanja tirotropina, kao i mnogih drugih peptidnih hormona, svodi na aktivaciju adenilat ciklaze, koja se nalazi u neposrednoj blizini receptorskog proteina na koji se tirotropin vezuje. Kao rezultat toga, u štitnoj žlijezdi se ubrzavaju brojni procesi, uključujući biosintezu tiroidnih hormona.

Insulin

insulin - protein proizveden u β-ćelijama pankreasa. Njegova struktura je detaljno proučena. Insulin je bio prvi protein čiju je primarnu strukturu razjasnio F. Sanger. Bio je prvi protein dobijen hemijskom sintezom.

Po prvi put, prisustvo u žlijezdi hormona koji utječe na metabolizam ugljikohidrata primijetili su Mehring i O. Minkovsky (1889). Kasnije L.V. Sobolev (1901) je ustanovio da je izvor inzulina u pankreasu njegov otočni dio, zbog čega je 1909. ovaj hormon, koji još nije individualiziran, dobio naziv insulin (od lat. insula- ostrvo). 1992. po prvi put pripremaju F. Banting i G. Best aktivni lijek insulina, a do 1926. godine razvijene su metode za njegovo izolovanje u visoko pročišćenom stanju, uključujući i u obliku kristalnih preparata koji sadrže 0,36% Zn.

Inzulin se sintetiše u beta ćelijama Langerhansovih otočića normalnim mehanizmom sinteze proteina. Translacija inzulina počinje na ribosomima povezanim s endoplazmatskim retikulumom, formiranjem inzulinskog preprohormona. Ovaj početni preprohormon s molekulskom težinom od 11500 cijepa se u endoplazmatskom retikulumu do proinzulina s molekulskom težinom od oko 9000. Nadalje, u Golgijevom aparatu, većina se razgrađuje na inzulin, koji je upakovan u sekretorne granule, a peptidni fragment. Međutim, gotovo 1/6 konačnog izlučenog proizvoda ostaje u obliku proinzulina. Proinzulin je neaktivan oblik hormona.

Molekularna težina kristalnog inzulina je 36 000. Njegova molekula je multimer sastavljen od šest protomera i dva atoma Zn. Protomeri formiraju dimere koji stupaju u interakciju sa imidazolnim radikalima gis 10 B lancima i promoviraju njihovu agregaciju u heksamer. Raspadajući, multimer daje tri podčestice molekularne težine od 12.000 svaka. Zauzvrat, svaka podčestica se deli na dva jednaka dela sa M = 6000. Sve navedene modifikacije insulina - protomer, damer i heksamer - imaju punu hormonsku aktivnost. Zbog toga se molekula insulina često identifikuje sa protomerom sa punom biološkom aktivnošću (M = 6000), posebno jer u fiziološkim uslovima insulin postoji u monomernom obliku. Dalja fragmentacija molekula insulina (sa M = 6000) u lanac A (od 21 aminokiselinskog ostatka) i lanac B (od 30 aminokiselinskih ostataka) dovodi do gubitka hormonalnih svojstava.

Inzulini izolirani iz pankreasa različitih životinja gotovo su identični u svojoj primarnoj strukturi. Uz nedovoljnu razinu biosinteze inzulina u ljudskom pankreasu (normalno se sintetizira 2 mg inzulina dnevno), razvija se karakteristična bolest - dijabetes ili dijabetes melitus. Ovo povećava glukozu u krvi (hiperglikemija) i povećava izlučivanje glukoze u urinu (glukozurija). Istovremeno se razvijaju različiti sekundarni fenomeni - smanjuje se sadržaj glikogena u mišićima, usporava se biosinteza peptida, proteina i masti, poremećuje se metabolizam minerala itd.

Unošenje inzulina injekcijom ili per os (u usta) u obliku lijeka inkapsuliranog u liposomima uzrokuje suprotan učinak: smanjenje glukoze u krvi, povećanje zaliha glikogena u mišićima, povećanje anaboličkih procesa, normalizacija minerala metabolizam itd. Sve navedene pojave rezultat su promjene pod utjecajem inzulinske permeabilnosti za glukozu ćelijskih membrana, na čijoj se površini otkrivaju inzulinski receptori visokog i niskog afiniteta zavisni od Ca 2+. Povećavajući nivo prodiranja glukoze u ćeliju i supćelijske čestice, insulin povećava mogućnosti njegove upotrebe u određenim tkivima, bilo da se radi o biosintezi glikogena iz njega ili njegovom dihotomnom ili apotomskom razgradnji.

Kada inzulin stupi u interakciju s receptorom stanične membrane pobuđuje se aktivnost domena protein kinaze inzulinskog receptora, što utiče na intracelularni metabolizam ugljikohidrata, lipida i proteina. Insulin nema tipičan mehanizam djelovanja adenilat ciklaze.

Glukagon

U pankreasu se, osim inzulina, proizvodi još jedan hormon koji utiče na metabolizam ugljikohidrata - glukagon.

Ovo je 29-člani peptid koji se sintetizira u α-ćelijama ostrvskog dijela pankreasa. Prvi spomen ovog hormona datira iz 1923. godine, kada su I. Murlin i njegovi saradnici otkrili njegovo prisustvo u preparatima insulina. Godine 1953, F. Straub je primio glukagon u obliku homogenog kristalnog preparata, a nešto kasnije je razjašnjena njegova primarna struktura. Potpuna sinteza glukagona izvršena je 1968. godine (E. Wunsch i saradnici). Prema analizi difrakcije rendgenskih zraka (T. Blandel), molekul glukagona je pretežno u α-helikalnoj konformaciji i sklon je stvaranju oligomera.

Utvrđeno je da je primarna struktura ljudskih i životinjskih glukagona identična; jedini izuzetak je pureći glukagon, koji ima serin umjesto asparagina na poziciji 28. Karakteristika strukture glukagona je odsustvo disulfidnih veza i cisteina. Glukagon se formira od svog prekursora proglukagona, koji sadrži dodatni oktapeptid (8 ostataka) na C-terminusu polipeptida, koji se odcjepljuje tokom postsintetske proteolize. Postoje dokazi da proglukagon, kao i proinzulin, ima prekursor - preproglukagon (molekulske težine 9000), čija struktura još nije dešifrovana.

By biološko djelovanje glukagon, kao i adrenalin, su hiperglikemijski faktori, uzrokujući povećanje koncentracije glukoze u krvi uglavnom zbog razgradnje glikogena u jetri. Ciljni organi za glukagon su jetra, miokard, masno tkivo, ali ne i skeletni mišići. Biosinteza i sekrecija glukagona kontroliše se uglavnom koncentracijom glukoze na principu povratne sprege. Aminokiseline i slobodne masne kiseline imaju isto svojstvo. Na lučenje glukagona utiču i insulin i faktori rasta slični insulinu.

U mehanizmu djelovanja glukagona primarno je vezivanje za specifične receptore ćelijske membrane, nastali kompleks glukagon receptora aktivira adenilat ciklazu i, shodno tome, stvaranje cAMP. Potonji, kao univerzalni efektor intracelularnih enzima, aktivira protein kinazu, koja zauzvrat fosforilira fosforilaznu kinazu i glikogen sintazu. Fosforilacija prvog enzima potiče stvaranje aktivne glikogen fosforilaze i, shodno tome, razgradnju glikogena sa stvaranjem glukoza-1-fosfata, dok je fosforilacija glikogen sintaze praćena njenim prijelazom u neaktivni oblik i, shodno tome, blokiranjem sinteza glikogena. Ukupni učinak glukagona je ubrzanje razgradnje glikogena i inhibicija njegove sinteze u jetri, što dovodi do povećanja koncentracije glukoze u krvi.

Međutim, hiperglikemijski učinak glukagona nije posljedica samo razgradnje glikogena. Postoje neosporni dokazi o postojanju glukoneogenetskog mehanizma za hiperglikemiju izazvanu glukagonom. Utvrđeno je da glukagon potiče stvaranje glukoze iz međuproizvoda metabolizma proteina i masti. Glukagon stimulira stvaranje glukoze iz aminokiselina inducira sintezu enzima glukoneogeneze uz sudjelovanje cAMP-a, posebno fosfoenolpiruvat karboksinaze, ključnog enzima ovog procesa. Glukagon, za razliku od adrenalina, inhibira glikolitičku razgradnju glukoze do mliječne kiseline, čime doprinosi hiperglikemiji. Direktno aktivira tkivnu lipazu kroz cAMP, pružajući snažan lipolitički učinak. Postoje i razlike u fiziološkom djelovanju: za razliku od adrenalina, glukagon ne povećava krvni tlak i ne povećava broj otkucaja srca. Treba napomenuti da je, pored pankreasnog glukagona, nedavno dokazano i postojanje crijevnog glukagona, koji se sintetizira kroz probavni trakt i ulazi u krv. Primarna struktura intestinalnog glukagona još uvijek nije precizno dešifrirana, međutim, u njegovoj molekuli su otkrivene aminokiselinske sekvence identične N-terminalnom i srednjem dijelu glukagona gušterače, ali drugačija C-terminalna sekvenca aminokiselina.

Dakle, otočići pankreasa, sintetizirajući dva suprotna hormonska djelovanja - inzulin i glukagon, igraju ključnu ulogu u regulaciji tvari na molekularnom nivou.

Gastrin

Gastrin Proizvode ga G-ćelije lokalizovane u antralnoj sluznici želuca i, u manjoj meri, u duodenalnoj sluznici.

Postoje tri glavna prirodna oblika gastrina: "veliki gastrin" ili gastrin-34 - polipeptid od 34 aminokiseline, "mali gastrin" ili gastrin-17, koji se sastoji od 17 aminokiselina, i "minigastrin", ili gastrin- 14, koji se sastoji od 14 aminokiselina.

Heterogeniji je u molekularnoj veličini od bilo kojeg drugog gastrointestinalnog hormona. Osim toga, svaki od oblika gastrina postoji u sulfoniranom i nesulfoniranom obliku (prema jednom ostatku tirozina). C-terminalne 14 aminokiseline u gastrinu 34, gastrinu 17 i gastrinu 14 su identične. Gastrin 34 je prisutan u krvi u većim količinama nego gastrin 17. To je vjerovatno zbog činjenice da je njegovo poluvrijeme u plazmi (15 min) 5-7 puta veće od onog za gastrin 17. Ovaj posljednji, izgleda, djeluje kao glavni stimulator lučenja kiseline u želucu, koje se reguliše mehanizmom negativne povratne sprege, budući da zakiseljavanje sadržaja antralne regije želuca smanjuje lučenje gastrina. Gastrin takođe stimuliše sekreciju želuca. C-terminus hormona je odgovoran za biološku aktivnost, C-terminalni pentapeptid izaziva čitav niz fizioloških efekata gastrina 17, ali po jedinici mase imam samo 1/10 njegove biološke aktivnosti.

Vasopresin i okcitocin.

Oba hormona se proizvode u hipotalamusu, a zatim se aksoplazmatskom strujom prenose do nervnih završetaka stražnje hipofize, iz kojih se uz odgovarajuću stimulaciju izlučuju u krvotok. Značenje ovog mehanizma je vjerovatno da vam omogućava da zaobiđete krvno-moždanu barijeru. ADH se sintetizira uglavnom u supraoptičkom jezgru, oksitocin - u paraventrikularnom jezgru. Svaki od njih se kreće duž aksona u obliku povezanom sa specifičnim proteinom nosačem (neurofizinom). Neurofizini I i II se sintetiziraju zajedno sa oksitocinom i ADH, respektivno, kao dijelovi jednog proteina (ponekad se naziva propresofizin) kodiranog jednim genom. Neurofizini I i II su osobeni proteini sa molekularnom težinom od 19 000, odnosno 21 000. ADH i oksitocin se izlučuju u krvotok zasebno, svaki sa svojim neurofizinom. U krvi se ne vezuju za proteine ​​i imaju kratak poluživot u plazmi (2-4 min).

Svaki nonapeptid sadrži molekule cisteina na pozicijama 1 i 6 povezane disulfidnim mostom. Arginin-vazopresin se nalazi u većini životinja, ali lizin se nalazi na poziciji 8 kod svinja i srodnih vrsta. Budući da su ADH i oksitocin vrlo slični po strukturi, nije iznenađujuće da dijele neke zajedničke biološke efekte. Oba peptida se metaboliziraju uglavnom u jetri, ali časno izlučivanje ADH značajno doprinosi njegovom nestanku iz krvi.

Glavni stimulans za oslobađanje oksitocina su nervni impulsi koji se javljaju kada su bradavice iritirane. Istezanje vagine i materice igra sporednu ulogu. Mnoga izlaganja koja uzrokuju lučenje oksitocina rezultiraju oslobađanjem prolaktina; sugeriraju da fragment oksitocina može igrati ulogu faktora oslobađanja prolaktina. Estrogen stimuliše, dok progesteron inhibira proizvodnju oksitocina i neurofizina I.

Mehanizam djelovanja oksitocina nije poznat. Izaziva kontrakciju glatkih mišića materice i stoga se koristi u farmakološkim dozama za stimulaciju radna aktivnost među ženama. Zanimljivo je da kod gravidnih životinja sa oštećenim hipotalamus-hipofiznim sistemom nema prepreka za radnu aktivnost. Najvjerovatnija fiziološka funkcija oksitocina je da stimulira kontrakcije u mioepitelnim stanicama koje okružuju mliječne alveole. To uzrokuje da mlijeko krene u sistem alveolarnih kanala i rezultira njegovim izbacivanjem. Membranski receptori za oksitocin nalaze se u tkivima materice i dojke. Njihov broj se povećava pod uticajem estrogena i smanjuje pod uticajem progesterona. Početak laktacije prije porođaja očito se može objasniti istovremenim povećanjem količine estrogena i padom nivoa progesterona neposredno prije porođaja. Derivati ​​progesterona se često koriste za suzbijanje postporođajne laktacije kod žena. Čini se da se oksitocin i neurofizin I također proizvode u jajnicima, gdje oksitocin može inhibirati steroidogenezu.

Hemijske grupe bitne za djelovanje oksitocina uključuju primarnu amino grupu N-terminalnog cisteina, fenolnu grupu tirozina, 3 karboksamidne grupe asparagina, glutamina i glicinamida, disulfidnu vezu (S-S). Brojni analozi oksitocina dobiveni su uklanjanjem ili zamjenom ovih grupa. Na primjer, uklanjanje slobodne primarne amino grupe terminalnog ostatka semicisteina (pozicija 1) dovodi do stvaranja deaminooksitocina, čija je antidiuretička aktivnost 4-5 puta veća od aktivnosti prirodnog oksitocina.

Nervni impulsi koji uzrokuju lučenje ADH rezultat su niza različitih stimulativnih faktora. Glavni fiziološki stimulans je povećanje osmolalnosti plazme. Njegovo djelovanje posreduju osmoreceptori smješteni u hipotalamusu i baroreceptori smješteni u srcu i drugim dijelovima vaskularnog sistema. Hemodilucija (smanjenje osmolalnosti) ima suprotan efekat. Ostali stimulansi uključuju emocionalni i fizički stres i izlaganje farmakološkim agensima, uključujući acetilholin, nikotin i morfij. U većini slučajeva povećanje sekrecije se kombinira s povećanjem sinteze ADH i neurofizina II, jer nema iscrpljivanja hormonskih rezervi. Epinefrin i agensi koji izazivaju ekspanziju plazme suzbijaju lučenje ADH; etanol ima sličan efekat.

Fiziološki najvažnije ciljne ćelije za ADH kod sisara su ćelije distalnih uvijenih tubula i sabirnih kanala bubrega. Ovi kanali prelaze bubrežnu medulu, gdje je gradijent osmolalnosti ekstracelularnih otopljenih tvari 4 puta veći nego u plazmi. Ćelije ovih kanala su relativno nepropusne za vodu, tako da u odsustvu ADH, urin nije koncentrisan i može se izlučiti u količinama većim od 20 litara dnevno. ADH povećava propusnost stanica za vodu i pomaže u održavanju osmotske ravnoteže između urina sabirnih kanala i hipertoničnog sadržaja intersticijalnog prostora, tako da volumen urina ostaje unutar 0,5 - 1 litra dnevno. Na mukoznim (mokraćnim) membranama epitelnih ćelija ovih struktura nalaze se ADH receptori koji su povezani sa adenilat ciklazom; Vjeruje se da je djelovanje ADH na bubrežne tubule posredovano cAMP-om. Opisano fiziološko djelovanje bilo je osnova da se hormon nazove "antidiuretikom". inhibitori cAMP i fosfodiesteraze oponašaju efekte ADH. budući da se djelovanje samog cAMP-a ne smanjuje.) Ovaj mehanizam može biti dijelom odgovoran za pojačanu diurezu koja je karakteristična za pacijenata sa hiperkalcemijom.

Poremećaji u sekreciji ili djelovanju ADH dovode do dijabetesa insipidusa, koji se karakterizira izlučivanjem velikih količina razrijeđenog urina. Primarni dijabetes insipidus povezan s nedostatkom ADH obično se razvija kada je hipotalamus-hipofizni trakt oštećen zbog frakture baze lubanje, tumora ili infekcije; međutim, može biti i nasledna. Kod nasljednih nefrogenih dijabetes lučenje ADH ostaje normalno, ali ciljne ćelije gube svoju sposobnost da reaguju na hormon, vjerovatno zbog poremećenog prijema. Ovaj nasljedni defekt razlikuje se od stečenog nefrogenog dijabetesa insipidusa, koji se najčešće javlja pri terapijskoj primjeni litijuma kod pacijenata s manično-depresivnom psihozom. Sindrom neodgovarajućeg lučenja ADH obično je povezan sa ektopičnom proizvodnjom hormona raznih tumora(obično tumori pluća), ali se mogu javiti i kod bolesti mozga, plućnih infekcija ili hipotireoze. Takvo lučenje se smatra neadekvatnim jer se proizvodnja ADH odvija uz normalne ili povećana brzina u uslovima hipoosmolarnosti, a to uzrokuje trajnu i progresivnu hiponatremiju sa oslobađanjem hipertoničnog urina.

Zaključak

Hidrofilni hormoni i supstance slične hormonima građene su od aminokiselina. kao što su proteini i peptidi, ili su derivati ​​aminokiselina. U velikim količinama se talože u ćelijama endokrinih žlijezda i po potrebi ulaze u krv. Većina ovih supstanci se transportuje u krvotoku bez sudjelovanja nosača. Hidrofilni hormoni djeluju na ciljne stanice tako što se vezuju za receptor na plazma membrani.

Hidrofilni hormoni igraju važnu ulogu u ljudskom tijelu. Njihova glavna funkcija, kao i svi hormoni, je održavanje ravnoteže u tijelu (homeostaza). Oni igraju ključnu ulogu u regulaciji funkcija rasta, razvoja, metabolizma, reakcija na promjenjive uvjete okoline i još mnogo toga.

Sve na šta reagujemo - alergije, upale, strah itd. - posledica je rada hormona.

Također, bilo koje djelovanje unutarnjih organa čovjeka uzrokovano je hormonima, koji su svojevrsne signalne tvari u tijelu.

Bibliografija

1) Kolman Ya., Rem K. - G., Vizualna biokemija // Hormoni. Hormonski sistem. - 2000. - str. 358-359, 368-375.

) Berezov T.T., Korovkin B.F., Biološka hemija // Nomenklatura i klasifikacija hormona. - 1998. - str. 250-251, 271-272.

) Filippovič Yu.B., Osnove biokemije // Hormoni i njihova uloga u metabolizmu. - 1999. - str. 451-453, 455-456, 461-462.

) Ovchinnikov Yu.A., Bioorganska hemija // Peptidni hormoni. - 1987. - str.274.

) Murray R., Grenner D., Humana biochemistry // Biochemistry of human intra- and intercellular communications. - 1993. - str.181-183, 219-224, 270.

) Naumenko E.V., Popova.P.K., Serotonin i melatonin u regulaciji endokrinog sistema. - 1975. - str. 4-5, 8-9, 32, 34, 36-37, 44, 46.

) Grebenshchikov Yu.B., Moshkovsky Yu.Sh., Bioorganska hemija // Fizička i kemijska svojstva, struktura i funkcionalna aktivnost inzulina. - 1986. - str.296.

Pitanja za pripremu za lekciju:

1. Hormonska regulacija kao mehanizam međućelijske i međuorganske koordinacije metabolizma. Glavni mehanizmi regulacije metabolizma: promjena aktivnosti enzima u ćeliji, promjena količine enzima u ćeliji (indukcija ili represija sinteze), promjena permeabilnosti ćelijskih membrana.

2. Hormoni, opšte karakteristike, klasifikacija hormona po hemijska struktura i biološke funkcije. Mehanizam djelovanja proteinskih hormona.

3. Mehanizam djelovanja hormona steroidne prirode i tiroksina.

4. Hormoni hipotalamusa. Luliberin, somatostatin, tiroliberin.

5. Hormoni hipofize. Hormoni posteriorne hipofize: vazopresin, oksitocin.

6. Struktura sinteze i metabolizma jodotironina.

7. Utjecaj jodotironina na metabolizam. Hipo- i hipertireoza.

8. Hormoni medule nadbubrežne žlijezde. Struktura, uticaj na metabolizam. biosinteza kateholamina.

9. Hormon rasta, struktura, funkcije.

10. Hormoni paratireoidnih žlijezda. Regulacija metabolizma fosfora i kalcijuma.

11. Insulin. Glukagon. Utjecaj na metabolizam.

12. Hormonska slika insulin-zavisnog dijabetes melitusa

13. Hormonska slika insulin-zavisnog dijabetes melitusa

14. Steroidni hormoni. Glukokortikoidi.

15. Spolni hormoni.

16. Renin-angiotenzin sistem.

17. Kalikrein-kinin sistem.

Dovršite zadatke:

1. Liberini:

A. Mali peptidi

B. Interakcija sa citoplazmatskim receptorima.

B. Aktivirati lučenje tropskih hormona.

D. Oni prenose signal do receptora prednje hipofize.

D. Uzrokuju lučenje insulina.

2. Odaberite pogrešnu izjavu. kamp:

A. Učestvuje u mobilizaciji glikogena.

B. Drugi glasnik signala.

B. Aktivator protein kinaze.

D. Koenzim adenilat ciklaze.

D. Supstrat fosfodiesteraze.

3. Rasporedite događaje koji se dešavaju tokom sinteze jodotironina u neophodan red, koristeći numeričke oznake:

A. Jod ostataka tirozina u tireoglobulinu.

B. Sinteza tireoglobulina.

B. Kondenzacija jodiranih ostataka tirozina.

D. Transport jodotironina u ciljne ćelije.

D. Formiranje kompleksa sa proteinom koji vezuje tiroksin.

4. Rasporedite navedene metabolite po redosledu njihovog formiranja:

A. 17-OH-progesteron.

B. Pregnenolone.

B. Holesterol.

G. Progesteron

D. Cortisol.

5. Odaberite hormon čija se sinteza i lučenje povećava kao odgovor na povećanje osmotskog pritiska:

A. Aldosteron.

B. Kortizol.

B. Vasopresin.

G. Adrenalin.

D. Glukagon.

6. Pod uticajem insulina u jetri se ubrzavaju:

A. Biosinteza proteina

B. Biosinteza glikogena.

B. Glukoneogeneza.

D. Biosinteza masnih kiselina.

D. Glikoliza.

7. Za trodnevni post važi sve od sledećeg osim:

A. Insulin-glukagon indeks je smanjen.

B. Povećana je brzina glukoneogeneze iz aminokiselina.

C. Stopa sinteze TAG u jetri se smanjuje.

D. Smanjuje se stopa b-oksidacije u jetri.

D. Koncentracija ketonskih tijela u krvi je iznad normalne.

8. Kod dijabetes melitusa u jetri se javlja sljedeće:

A. Ubrzanje sinteze glikogena.

B. Smanjena stopa glukoneogeneze iz laktata.

B. Smanjena stopa mobilizacije glikogena.

D. Povećanje brzine sinteze acetoacetata.

D. Povećana aktivnost acetil-CoA karboksilaze.

9. Kada pacijenti sa NIDDM najčešće nalaze:

A. Hiperglukozemija.

B. Smanjena brzina sinteze insulina.

B. Koncentracija inzulina u krvi je normalna ili iznad normalne.

D. Antitijela na b-ćelije pankreasa.

D. Mikroangiopatija.

LAB 14

Tema: Konstrukcija i analiza glikemijskih krivulja

Cilj: Proučiti srednji metabolizam ugljikohidrata, ulogu ugljikohidrata u energetskom metabolizmu. Klinički i dijagnostički značaj metode opterećenja šećerom kod dijabetes melitusa, Addisonove bolesti, hipotireoze itd.

Princip metode : Određivanje glukoze temelji se na reakciji koju katalizira glukoza oksidaza:

glukoza + O 2 glukonolakton + H 2 O 2

Vodikov peroksid koji nastaje tokom ove reakcije izaziva oksidaciju supstrata peroksidaze sa stvaranjem obojenog proizvoda.

Metoda punjenja šećera: Ujutro na prazan želudac pacijentu se uzima krv iz prsta i utvrđuje koncentracija glukoze u krvi. Nakon toga dajte da se pije 50 - 100 g glukoze u 200 ml tople prokuvane vode (1 g glukoze na 1 kg težine) ne duže od 5 minuta. Zatim se ponovo ispituje sadržaj glukoze u krvi, uzimajući krv iz prsta svakih 30 minuta u trajanju od 2-3 sata. Grafikon se gradi u koordinatama: vrijeme - koncentracija glukoze u krvnom serumu, prema vrsti grafikona postavlja se ili razjašnjava dijagnoza.

napredak: U uzorcima seruma (prije i nakon uzimanja glukoze) odrediti koncentraciju glukoze. Da biste to učinili, 2 ml radnog reagensa (fosfatni pufer, supstrati peroksidaza + glukoza oksidaza u omjeru 40:1) se dodaje u seriju epruveta. U jednu od epruveta dodaje se 0,05 ml standardnog rastvora glukoze koncentracije 10 mmol/l. U ostalima - 0,05 ml krvnog seruma uzetog prema metodi opterećenja šećerom. Rastvori se protresu i inkubiraju na sobnoj temperaturi 20 minuta.

Nakon inkubacije, optička gustina rastvora se meri na FEC na talasnoj dužini od 490 nm. Kiveta sa optičkom dužinom puta od 5 mm. Referentni rastvor - radni reagens.

Izračun koncentracije glukoze:

C = 10 mmol/l

gdje je E - optička gustina u uzorcima seruma;

E st - optička gustina standardnog rastvora glukoze

Rezultat analize:

Raspored:

zaključak:

Datum: Potpis nastavnika:

PRAKTIČNA LEKCIJA

Test3 Hormonska regulacija metabolizma

Rice. 3. Šema stimulacije razgradnje glikogena povećanjem nivoa cAMP

Signali citoskeleta

CAMP regulirana kaskadna shema enzimskih interakcija izgleda komplikovana, ali u stvarnosti je još složenija. Konkretno, receptori koji se vezuju za primarne glasnike utiču na aktivnost adenilat ciklaze ne direktno, već preko takozvanih G-proteina (slika 4), koji rade pod kontrolom gvanin trifosforne kiseline (GTP).

A šta se dešava kada se normalna povezanost događaja iz nekog razloga poremeti? Primjer bi bila kolera. Vibrio cholerae toksin utiče na nivo GTP i utiče na aktivnost G-proteina. Kao rezultat toga, nivo cAMP u crijevnim stanicama pacijenata oboljelih od kolere je stalno visok, što uzrokuje prijenos velikih količina jona natrijuma i vode iz stanica u lumen crijeva. Posljedica toga je iscrpljujuća dijareja i gubitak vode u tijelu.

Normalno, pod uticajem enzima fosfodiesteraze, cAMP u ćeliji se brzo inaktivira, pretvarajući se u neciklični adenozin monofosfat AMP. Tok druge bolesti, hripavca, uzrokovane bakterijom Bordetella pertussis, praćen je stvaranjem toksina koji inhibira konverziju cAMP u AMP. Odavde nastaju neugodni simptomi bolesti - crvenilo grla i kašalj do povraćanja.

Na aktivnost fosfodiesteraze, koja pretvara cAMP u AMP, utiču, na primer, kofein i teofilin, koji izazivaju stimulativni efekat kafe i čaja.

Raznolikost cAMP efekata i načina regulacije njegove koncentracije u ćelijama čini ga univerzalnim sekundarnim glasnikom koji igra ključnu ulogu u aktivaciji različitih protein kinaza.

U različitim ćelijama cAMP može dovesti do potpuno različitih efekata. Ovo jedinjenje ne samo da učestvuje u razgradnji glikogena i masti, već i povećava broj otkucaja srca, utiče na opuštanje mišića, kontroliše intenzitet lučenja i brzinu apsorpcije tečnosti. On je drugi glasnik za niz različitih hormona: adrenalin, vazopresin, glukagon, serotonin, prostaglandin, hormon koji stimulira štitnjaču; cAMP djeluje u ćelijama skeletnih mišića, srčanom mišiću, glatkim mišićima, bubrezima, jetri i trombocitima.

Postavlja se prirodno pitanje: zašto različite ćelije različito reaguju na cAMP? Može se i drugačije formulirati: zašto se s povećanjem koncentracije cAMP-a u različitim stanicama aktiviraju različite protein kinaze koje fosforiliraju različite proteine? Ova situacija se može ilustrovati sljedećom analogijom. Zamislite da na vrata kancelarije stalno dolaze razni posjetioci - ligandi i primarni glasnici. U isto vrijeme zvone u jednom pozivu: čuje se signal - sekundarni glasnik. Istovremeno, kako zaposleni u ustanovi mogu da utvrde ko je tačno došao u posetu i kako treba da reaguju na ovog posetioca?

Zagonetka jona kalcijuma

Hajde da prvo razmotrimo šta se dešava sa drugim izuzetno uobičajenim drugim glasnikom - kalcijumom, odnosno njegovim jonima. Prvi put se njihova ključna uloga u brojnim biološkim reakcijama pokazala već 1883. godine, kada je Sydney Ringer primijetio da se izolirani mišići žabe ne kontrahiraju u destilovanoj vodi. Da bi se mišić kontrahirao kao odgovor na električnu stimulaciju, potrebno mu je prisustvo jona kalcijuma u svom okruženju.

Redoslijed glavnih događaja koji se dešavaju tokom kontrakcije skeletnih mišića sada je dobro poznat (slika 5). Kao odgovor na električni impuls koji stiže do mišića duž aksona nervne ćelije, unutra mišićna ćelija- miofibrili - otvoreni rezervoari jona kalcijuma - membranski rezervoari, u kojima koncentracija jona kalcijuma može biti viša nego u citoplazmi, hiljadu ili više puta (slika 6). Oslobođeni kalcij se kombinuje sa proteinom troponinom C, koji je povezan sa aktinskim filamentima koji oblažu unutrašnju površinu ćelije. Troponin (slika 7) igra ulogu blokatora koji sprečava klizanje miozinskih filamenata duž aktinskih filamenata. Kao rezultat dodavanja kalcija troponinu, blok se odvaja od filamenta, miozin klizi preko aktina, a mišić se kontrahira (slika 8). Čim se čin kontrakcije završi, posebni proteini - kalcijum ATPaze - pumpaju jone kalcija natrag u intracelularne rezervoare.

Na koncentraciju intracelularnog kalcija utječu ne samo nervni impulsi, već i drugi signali. Na primjer, to može biti cAMP koji nam je već poznat. Kao odgovor na pojavu adrenalina u krvi i odgovarajuće povećanje koncentracije cAMP u stanicama srčanog mišića, u njima se oslobađaju ioni kalcija, što dovodi do povećanja broja otkucaja srca.

Supstance koje utiču na kalcij takođe mogu biti sadržane direktno u ćelijskoj membrani. Kao što je poznato, membrana se sastoji od fosfolipida, među kojima jedan - fosfoinozitol-4,5-difosfat - igra posebnu ulogu. Pored inozitola, molekul fosfoinozitol-4,5-difosfata sadrži dva duga ugljikovodična lanca koja se sastoje od 20 i 17 atoma ugljika (slika 9). Pod uticajem određenih ekstracelularnih signala i pod kontrolom čitaocima već poznatih G-proteina, oni se odvajaju, što rezultira stvaranjem dva molekula - diacilglicerola i inozitol trifosfata. Potonji je uključen u oslobađanje intracelularnog kalcijuma (slika 10). Ova vrsta signalizacije se koristi, na primjer, u oplođenim jajima žabe s kandžama.

Prodor prvog od mnogih spermatozoida u jaje spremno za oplodnju uzrokuje stvaranje inozitol trifosfata u njegovoj membrani. Kao rezultat toga, joni kalcija se oslobađaju iz unutrašnjih rezervoara i ljuska oplođenog jajeta trenutno nabubri, presijecajući put u jaje za manje srećne ili manje okretne sperme.

Kako nešto tako jednostavno kao što je jon kalcija može regulisati aktivnost proteina? Pokazalo se da se vezuje unutar ćelije sa posebnim proteinom kalmodulinom (slika 11). Ovaj prilično veliki protein koji se sastoji od 148 aminokiselinskih ostataka, poput cAMP, pronađen je u gotovo svim proučavanim stanicama.

Kratki opis:

Nastavni materijal iz biohemije i molekularne biologije: Struktura i funkcije bioloških membrana.

MODUL 4: STRUKTURA I FUNKCIJE BIOLOŠKIH MEMBRANA

_Teme _

4.1. opšte karakteristike membrane. Struktura i sastav membrana

4.2. Transport tvari kroz membrane

4.3. Transmembranska signalizacija _

Ciljevi učenja Biti u stanju:

1. Protumačiti ulogu membrana u regulaciji metabolizma, transportu supstanci u ćeliju i uklanjanju metabolita.

2. Objasniti molekularne mehanizme djelovanja hormona i drugih signalnih molekula na ciljne organe.

znati:

1. Struktura bioloških membrana i njihova uloga u metabolizmu i energiji.

2. Glavni načini prijenosa tvari kroz membrane.

3. Glavne komponente i faze transmembranske signalizacije hormona, medijatora, citokina, eikozanoida.

TEMA 4.1. OPĆE KARAKTERISTIKE MEMBRANA.

STRUKTURA I SASTAV MEMBRANA

Sve stanice i intracelularne organele okružene su membranama koje igraju važnu ulogu u njihovoj strukturnoj organizaciji i funkcioniranju. Osnovni principi konstrukcije svih membrana su isti. Međutim, plazma membrana, kao i membrane endoplazmatskog retikuluma, Golgijevog aparata, mitohondrija i jezgra, imaju značajne strukturne karakteristike, jedinstvene su po svom sastavu i prirodi svojih funkcija.

membrana:

Odvojiti ćelije od okoline i podijeliti je na odjeljke (kompartmente);

Regulirati transport tvari u stanice i organele i obrnuto;

Omogućiti specifičnost međućelijskih kontakata;

Oni primaju signale iz okoline.

Koordinirano funkcionisanje membranskih sistema, uključujući receptore, enzime, transportne sisteme, pomaže u održavanju ćelijske homeostaze i brzom reagovanju na promene stanja spoljašnjeg okruženja regulacijom metabolizma unutar ćelija.

Biološke membrane se sastoje od lipida i proteina koji su međusobno povezani nekovalentna interakcije. Osnova membrane je dvostruki lipidni sloj koji uključuje proteinske molekule (slika 4.1). Lipidni dvosloj formiraju dva reda amfifilni molekule čiji su hidrofobni "repovi" skriveni unutra, a hidrofilne grupe - polarne "glave" okrenute su prema van i u kontaktu su sa vodenim medijumom.

1. Membranski lipidi. Membranski lipidi sadrže i zasićene i nezasićene masne kiseline. Nezasićene masne kiseline su dvostruko češće od zasićenih masnih kiselina, što određuje fluidnost membrane i konformaciona labilnost membranskih proteina.

Postoje tri glavna tipa lipida u membranama - fosfolipidi, glikolipidi i holesterol (sl. 4.2 - 4.4). Najčešće se nalaze Glicerofosfolipidi su derivati ​​fosfatidne kiseline.

Rice. 4.1. Poprečni presjek plazma membrane

Rice. 4.2. Glicerofosfolipidi.

Fosfatidna kiselina je diacilglicerol fosfat. R 1 , R 2 - radikali masnih kiselina (hidrofobni "repovi"). Ostatak polinezasićene masne kiseline vezan je za drugi atom ugljika glicerola. Polarna "glava" je ostatak fosforne kiseline i na nju vezana hidrofilna grupa serina, holina, etanolamina ili inozitola

Postoje i lipidi - derivati amino alkohol sfingozin.

Aminoalkohol sfingozin nakon acilacije, tj. vezujući masnu kiselinu na NH 2 grupu, pretvara se u ceramid. Ceramidi se razlikuju po ostacima masnih kiselina. Različite polarne grupe mogu biti povezane sa OH grupom ceramida. Ovisno o strukturi polarne "glave", ovi derivati ​​se dijele u dvije grupe - fosfolipidi i glikolipidi. Struktura polarne grupe sfingofosfolipida (sfingomijelina) slična je glicerofosfolipidima. Mnogi sfingomijelini se nalaze u mijelinskim ovojnicama nervnih vlakana. Glikolipidi su ugljikohidratni derivati ​​ceramida. Ovisno o strukturi ugljikohidratne komponente, razlikuju se cerebrozidi i gangliozidi.

holesterol koji se nalazi u membranama svih životinjskih ćelija, učvršćuje membrane i smanjuje ih fluidnost(fluidnost). Molekul holesterola se nalazi u hidrofobnoj zoni membrane paralelno sa hidrofobnim "repom" molekula fosfo- i glikolipida. Hidroksilna grupa holesterola, kao i hidrofilne "glave" fosfo- i glikolipida,

Rice. 4.3. Derivati ​​amino alkohola sfingozina.

Ceramid - acilirani sfingozin (R 1 - radikal masne kiseline). Fosfolipidi uključuju sfingomijeline, u kojima se polarna grupa sastoji od ostatka fosforne kiseline i holina, etanolamina ili serina. Hidrofilna grupa (polarna "glava") glikolipida je ostatak ugljikohidrata. Cerebrozidi sadrže linearni mono- ili oligosaharidni ostatak. Sastav gangliozida uključuje razgranati oligosaharid, čija je jedna od monomernih jedinica NANK - N-acetilneuraminska kiselina

okrenut prema vodenoj fazi. Molarni odnos holesterola i drugih lipida u membranama je 0,3-0,9. Ova vrijednost ima najveću vrijednost za citoplazmatsku membranu.

Povećanje sadržaja holesterola u membranama smanjuje pokretljivost lanaca masnih kiselina, što utiče na konformacionu labilnost membranskih proteina i smanjuje mogućnost njihovog nastanka. bočna difuzija. S povećanjem fluidnosti membrane uzrokovane djelovanjem lipofilnih tvari na njih ili peroksidacijom lipida, povećava se udio kolesterola u membranama.

Rice. 4.4. Položaj fosfolipida i holesterola u membrani.

Molekul holesterola se sastoji od krutog hidrofobnog jezgra i fleksibilnog ugljikovodičnog lanca. Polarna "glava" je OH grupa na 3. atomu ugljika molekule holesterola. Za poređenje, slika prikazuje šematski prikaz membranskog fosfolipida. Polarna glava ovih molekula je mnogo veća i ima naboj

Lipidni sastav membrana je različit, sadržaj jednog ili drugog lipida, očigledno, određen je raznolikošću funkcija koje ovi molekuli obavljaju u membranama.

Glavne funkcije membranskih lipida su da:

Oni formiraju lipidni dvosloj – strukturnu osnovu membrana;

Osigurati okruženje neophodno za funkcioniranje membranskih proteina;

Učestvuju u regulaciji aktivnosti enzima;

Služi kao "sidro" za površinske proteine;

Učestvuju u prenošenju hormonskih signala.

Promjene u strukturi lipidnog dvosloja mogu dovesti do poremećaja funkcija membrane.

2. Membranski proteini. Membranski proteini se razlikuju po svom položaju u membrani (slika 4.5). Membranski proteini u kontaktu sa hidrofobnom regijom lipidnog dvosloja moraju biti amfifilni, tj. imaju nepolarni domen. Amfifilnost se postiže zahvaljujući činjenici da:

Aminokiselinski ostaci u kontaktu sa lipidnim dvoslojem su uglavnom nepolarni;

Mnogi membranski proteini su kovalentno povezani sa ostacima masnih kiselina (acilirani).

Acilni ostaci masnih kiselina vezani za protein obezbjeđuju njegovo "sidrenje" u membrani i mogućnost lateralne difuzije. Osim toga, membranski proteini prolaze kroz posttranslacijske modifikacije kao što su glikozilacija i fosforilacija. Glikozilacija vanjske površine integralnih proteina štiti ih od oštećenja proteazama međućelijskog prostora.

Rice. 4.5. Membranski proteini:

1, 2 - integralni (transmembranski) proteini; 3, 4, 5, 6 - površinski proteini. U integralnim proteinima, dio polipeptidnog lanca je ugrađen u lipidni sloj. Oni dijelovi proteina koji stupaju u interakciju s ugljikovodičnim lancima masnih kiselina sadrže pretežno nepolarne aminokiseline. Regioni proteina koji se nalaze u predelu polarnih "glava" obogaćeni su hidrofilnim aminokiselinskim ostacima. Površinski proteini Različiti putevi vezani za membranu: 3 - povezani sa integralnim proteinima; 4 - pričvršćen za polarne "glave" lipidnog sloja; 5 - "usidren" u membrani sa kratkim hidrofobnim terminalnim domenom; 6 - "usidren" u membrani pomoću kovalentno vezanog acilnog ostatka

Vanjski i unutrašnji slojevi iste membrane razlikuju se po sastavu lipida i proteina. Ova karakteristika u strukturi membrana se naziva transmembranska asimetrija.

Membranski proteini mogu biti uključeni u:

Selektivni transport supstanci u i iz ćelije;

Prijenos hormonskih signala;

Formiranje "ograničenih jama" uključenih u endocitozu i egzocitozu;

Imunološke reakcije;

Kao enzimi u transformaciji supstanci;

Organizacija međućelijskih kontakata koji osiguravaju formiranje tkiva i organa.

TEMA 4.2. TRANSPORT SUPSTANCI KROZ MEMBRANE

Jedna od glavnih funkcija membrana je regulacija prijenosa tvari u ćeliju i iz nje, zadržavanje supstanci koje su ćeliji potrebne i uklanjanje nepotrebnih. Transport jona, organskih molekula kroz membrane može se odvijati duž gradijenta koncentracije - pasivni transport i protiv gradijenta koncentracije - aktivni transport.

1. Pasivni transport može se izvesti na sljedeće načine (sl. 4.6, 4.7):

Rice. 4.6. Mehanizmi prijenosa tvari kroz membrane duž gradijenta koncentracije

Pasivni transport je difuzija jona kroz proteinske kanale, na primjer, difuzija H+, Ca 2+, N+, K+. Funkcioniranje većine kanala regulirano je specifičnim ligandima ili promjenama u transmembranskom potencijalu.

Rice. 4.7. Ca2+ kanal membrane endoplazmatskog retikuluma regulisan inozitol-1,4,5-trifosfatom (IF 3).

IP 3 (inozitol-1,4,5-trifosfat) nastaje tokom hidrolize membranskog lipida PIF 2 (fosfatidilinozitol-4,5-bisfosfata) pod dejstvom enzima fosfolipaze C. IP 3 se vezuje za specifične centre Ca 2 + protomeri membranskog kanala endoplazmatskog retikuluma. Konformacija proteina se menja i kanal se otvara - Ca 2+ ulazi u citosol ćelije duž gradijenta koncentracije

2. Aktivni transport. primarno aktivno transport se odvija protiv gradijenta koncentracije uz utrošak energije ATP-a uz učešće transportnih ATPaza, na primjer Na +, K + -ATPaza, H + -ATPaza, Ca 2 + -ATPaza (slika 4.8). H + -ATPaze funkcionišu kao protonske pumpe, koje stvaraju kiselu sredinu u lizosomima ćelije. Uz pomoć Ca 2+ -ATPaze citoplazmatske membrane i membrane endoplazmatskog retikuluma, održava se niska koncentracija kalcija u citosolu ćelije i stvara se unutarćelijski depo Ca 2+ u mitohondrijima i endoplazmatskom tkivu. retikulum.

sekundarno aktivan transport nastaje usled gradijenta koncentracije jedne od transportovanih supstanci (slika 4.9), koju najčešće stvara Na +, K + -ATPaza, koja funkcioniše uz potrošnju ATP.

Vezanje za aktivni centar proteina nosača supstance čija je koncentracija veća mijenja njenu konformaciju i povećava afinitet prema spoju koji prelazi u ćeliju protiv gradijenta koncentracije. Postoje dvije vrste sekundarnog aktivnog transporta: aktivni simport I antiport.

Rice. 4.8. Mehanizam funkcionisanja Ca 2 + -ATPaze

Rice. 4.9. sekundarni aktivni transport

3. Transfer makromolekula i čestica uz učešće membrana - endocitoza i egzocitoza.

Prijenos makromolekula, kao što su proteini, iz vanćelijske sredine u ćeliju nukleinske kiseline, polisaharidi ili čak veće čestice, nastaje po endocitoza. Vezivanje supstanci ili visokomolekularnih kompleksa događa se u određenim područjima plazma membrane, koja se nazivaju obložene jame. Endocitoza, koja se javlja uz učešće receptora ugrađenih u obrubljene jame, omogućava ćelijama da apsorbuju specifične supstance i naziva se endocitoza zavisna od receptora.

Makromolekule kao što su peptidni hormoni digestivni enzimi, proteini ekstracelularnog matriksa, kompleksi lipoproteina, izlučuju se u krv ili međućelijski prostor putem egzocitoza. Ovaj način transporta omogućava uklanjanje supstanci koje se nakupljaju u sekretornim granulama iz ćelije. U većini slučajeva egzocitoza se regulira promjenom koncentracije kalcijevih jona u citoplazmi stanica.

TEMA 4.3. TRANSMEMBRANSKA SIGNALIZACIJA

Važno svojstvo membrana je sposobnost da percipiraju i prenose signale iz okoline unutar ćelije. Percepcija vanjskih signala od strane ćelija nastaje kada su u interakciji s receptorima koji se nalaze u membrani ciljnih stanica. Receptori pričvršćivanjem signalne molekule aktiviraju unutarćelijske puteve prijenosa informacija, što dovodi do promjene brzine različitih metaboličkih procesa.

1. Signalni molekul, koji specifično stupa u interakciju s membranskim receptorom primarni glasnik. Različita hemijska jedinjenja deluju kao primarni prenosioci - hormoni, neurotransmiteri, eikozanoidi, faktori rasta ili fizički faktori, kao što je kvant svetlosti. Receptori ćelijske membrane aktivirani primarnim glasnicima prenose primljene informacije sistemu proteina i enzima koji formiraju kaskada za prenos signala, pružajući pojačanje signala za nekoliko stotina puta. Vrijeme odgovora stanice, koje se sastoji u aktiviranju ili inaktivaciji metaboličkih procesa, kontrakciji mišića, transportu tvari iz ciljnih stanica, može biti nekoliko minuta.

Membrane receptori podijeljeno na:

Receptori koji sadrže podjedinicu koja vezuje primarni glasnik i jonski kanal;

Receptori koji mogu pokazati katalitičku aktivnost;

Receptori koji uz pomoć G-proteina aktiviraju stvaranje sekundarnih (intracelularnih) glasnika koji prenose signal specifičnim proteinima i enzimima citosola (slika 4.10).

Drugi glasnici imaju malu molekularnu težinu, difundiraju velikom brzinom u citosolu ćelije, mijenjaju aktivnost odgovarajućih proteina, a zatim se brzo cijepaju ili uklanjaju iz citosola.

Rice. 4.10. Receptori koji se nalaze u membrani.

Membranski receptori se mogu podijeliti u tri grupe. Receptori: 1 - sadrže podjedinicu koja vezuje signalni molekul i jonski kanal, na primjer, acetilkolinski receptor na postsinaptičkoj membrani; 2 - ispoljavanje katalitičke aktivnosti nakon dodavanja signalne molekule, na primjer, inzulinskog receptora; 3, 4 - prijenos signala na enzim adenilat ciklazu (AC) ili fosfolipazu C (PLC) uz sudjelovanje membranskih G proteina, npr. različite vrste receptori za adrenalin, acetilholin i druge signalne molekule

Uloga sekundarni glasnici obavljaju molekule i jone:

CAMP (ciklički adenozin-3",5"-monofosfat);

CGMP (ciklički gvanozin-3",5"-monofosfat);

IP 3 (inozitol-1,4,5-trifosfat);

DAG (diacilglicerol);

Postoje hormoni (steroidni i tiroidni) koji prolazeći kroz lipidni dvosloj, ući u ćeliju i komunicirati sa intracelularnih receptora. Fiziološki važna razlika između membranskih i intracelularnih receptora je stopa odgovora na dolazni signal. U prvom slučaju, učinak će biti brz i kratkotrajan, u drugom - spor, ali dugotrajan.

G-protein spregnuti receptori

Interakcija hormona sa receptorima vezanim za G-protein dovodi do aktivacije sistema za transdukciju signala inozitol fosfata ili promjene u aktivnosti regulacionog sistema adenilat ciklaze.

2. Sistem adenilat ciklaze uključuje (slika 4.11):

- integral proteini citoplazmatske membrane:

R s - receptor primarnog glasnika - aktivator sistema adenilat ciklaze (ACS);

R; - receptor primarnog glasnika - ACS inhibitor;

Enzim adenilat ciklaza (AC).

- "usidren" proteini:

G s - GTP-vezujući protein, koji se sastoji od α,βγ-podjedinica, u kojima je (α,-podjedinica povezana sa GDP molekulom;

Rice. 4.11. Funkcionisanje sistema adenilat ciklaze

G; - GTP-vezujući protein, koji se sastoji od αβγ-podjedinica, u kojem a; -podjedinica je povezana sa GDP molekulom; - cytosolic enzim protein kinaze A (PKA).

Slijed događaja primarne transdukcije signala glasnika putem sistema adenilat ciklaze

Receptor ima mjesta vezivanja za primarni glasnik na vanjskoj površini membrane i G-protein (α,βγ-GDP) na unutrašnjoj površini membrane. Interakcija aktivatora sistema adenilat ciklaze, kao što je hormon sa receptorom (R s), dovodi do promjene konformacije receptora. Povećava se afinitet receptora za G..-protein. Vezivanje kompleksa hormon-receptor na GS-GDP smanjuje afinitet α,-podjedinice G..-proteina za GDP i povećava afinitet za GTP. IN aktivni centarα,-GDP podjedinica je zamijenjena GTP. Ovo uzrokuje promjenu konformacije α podjedinice i smanjenje njenog afiniteta za βγ podjedinice. Odvojena podjedinica α,-GTP bočno se kreće u lipidnom sloju membrane do enzima adenilat ciklaza.

Interakcija α,-GTP s regulatornim centrom adenilat ciklaze mijenja konformaciju enzima, dovodi do njegove aktivacije i povećanja brzine formiranja drugog glasnika - cikličkog adenozin-3,5'-monofosfata (cAMP) iz ATP-a. Koncentracija cAMP se povećava u ćeliji. Molekuli cAMP se mogu reverzibilno vezati za regulatorne podjedinice protein kinaze A (PKA), koja se sastoji od dvije regulatorne (R) i dvije katalitičke (C) podjedinice - (R 2 C 2). Kompleks R 2 C 2 ne posjeduje enzimsku aktivnost. Vezanje cAMP-a na regulatorne podjedinice uzrokuje promjenu njihove konformacije i gubitak komplementarnosti sa C-podjedinicama. Katalitičke podjedinice stiču enzimsku aktivnost.

Aktivna protein kinaza A, uz pomoć ATP-a, fosforilira specifične proteine ​​na ostacima serina i treonina. Fosforilacija proteina i enzima povećava ili smanjuje njihovu aktivnost, pa se mijenja brzina metaboličkih procesa u kojima oni učestvuju.

Aktivacija signalne molekule R receptora stimuliše funkcionisanje Gj-proteina, koje se odvija po istim pravilima kao i za G..-protein. Ali kada α i -GTP podjedinica stupi u interakciju sa adenilat ciklazom, aktivnost enzima se smanjuje.

Inaktivacija adenilat ciklaze i protein kinaze A

α,-podjedinica u kompleksu sa GTP, u interakciji sa adenilat ciklazom, počinje da ispoljava enzimsku (GTP-fosfatazu) aktivnost, hidrolizira GTP. Rezultirajući GDP molekul ostaje u aktivnom centru α, podjedinice, mijenja svoju konformaciju i smanjuje svoj afinitet za AC. Kompleks AC i α,-GDP se disocira, α,-GDP je uključen u G..-protein. Odvajanje α,-GDP od adenilat ciklaze inaktivira enzim i zaustavlja sintezu cAMP.

Fosfodiesteraza- "usidren" enzim citoplazmatske membrane hidrolizira prethodno formirane cAMP molekule u AMP. Smanjenje koncentracije cAMP u ćeliji uzrokuje cijepanje cAMP 4 K " 2 kompleksa i povećava afinitet R- i C-podjedinica, te nastaje neaktivni oblik PKA.

Fosforilirani enzimi i proteini fosfoprotein fosfataza prelaze u defosforilirani oblik, mijenjaju se njihova konformacija, aktivnost i brzina procesa u kojima ovi enzimi učestvuju. Kao rezultat, sistem se vraća u prvobitno stanje i spreman je da se ponovo aktivira kada hormon stupi u interakciju sa receptorom. Time je osigurana korespondencija sadržaja hormona u krvi i intenziteta odgovora ciljnih stanica.

3. Učešće sistema adenilat ciklaze u regulaciji ekspresije gena. Mnogi proteinski hormoni: glukagon, vazopresin, paratiroidni hormon, itd., koji prenose svoj signal kroz sistem adenilat ciklaze, mogu ne samo uzrokovati promjenu brzine reakcija fosforilacijom već prisutnih enzima u ćeliji, već i povećati ili smanjiti njihov broj regulacijom ekspresije gena (slika 4.12). Aktivna protein kinaza A može proći u jezgro i fosforilizovati faktor transkripcije (CREB). Pristupanje fosfora

Rice. 4.12. Put adenilat ciklaze dovodi do ekspresije specifičnih gena

Ostatak povećava afinitet faktora transkripcije (CREB-(P) za specifičnu sekvencu DNK-CRE regulatorne zone (cAMP-response element) i stimuliše ekspresiju određenih proteinskih gena.

Sintetizirani proteini mogu biti enzimi, čije povećanje količine povećava brzinu reakcija metaboličkih procesa, ili membranski nosači koji osiguravaju ulazak ili izlazak iz stanice određenih jona, vode ili drugih tvari.

Rice. 4.13. Inozitol fosfatni sistem

Rad sistema obezbeđuju proteini: kalmodulin, enzim protein kinaza C, Ca 2 + -kalmodulin zavisne protein kinaze, regulisani Ca 2 + kanali membrane endoplazmatskog retikuluma, Ca 2 + -ATPaza ćelijskih i mitohondrijalnih membrana.

Slijed događaja transdukcije primarnog glasnoćeg signala inozitol fosfatnim sistemom

Vezivanje aktivatora inozitol fosfatnog sistema za receptor (R) dovodi do promene njegove konformacije. Povećava se afinitet receptora za Gfls protein. Vezanje primarnog kompleksa glasnik-receptor na Gfls-GDP smanjuje afinitet af ls-podjedinice za GDP i povećava afinitet za GTP. U aktivnom mjestu, af ls podjedinica BDP-a je zamijenjena GTP. Ovo uzrokuje promjenu konformacije af ls podjedinice i smanjenje afiniteta za βγ podjedinice, te dolazi do disocijacije Gf ls proteina. Odvojena podjedinica af ls-GTP bočno se kreće preko membrane do enzima fosfolipaza C.

Interakcija aphls-GTP sa veznim mjestom fosfolipaze C mijenja konformaciju i aktivnost enzima, povećava brzinu hidrolize fosfolipida ćelijske membrane - fosfatidilinozitol-4,5-bisfosfata (FIF 2) (slika 4.14).

Rice. 4.14. Hidroliza fosfatidilinozitol-4,5-bisfosfata (FIF 2)

Tokom reakcije nastaju dva produkta - sekundarni glasnici hormonskog signala (sekundarni glasnici): diacilglicerol koji ostaje u membrani i učestvuje u aktivaciji enzima protein kinaze C i inozitol-1,4,5-trifosfat (IF 3), koji, kao hidrofilno jedinjenje, ide u citosol. Dakle, signal koji prima ćelijski receptor je bifurkiran. IP 3 se vezuje za specifične centre Ca 2+ kanala membrane endoplazmatskog retikuluma (E), što dovodi do promjene konformacije proteina i otvaranja Ca 2+ kanala. Budući da je koncentracija kalcija u ER za oko 3-4 reda veličine veća nego u citosolu, nakon otvaranja Ca 2+ kanala, on ulazi u citosol duž gradijenta koncentracije. U nedostatku IF 3 u citosolu, kanal je zatvoren.

Citosol svih ćelija sadrži mali protein zvan kalmodulin, koji ima četiri mesta vezivanja Ca 2+. Sa povećanjem koncentracije

kalcija, aktivno se vezuje za kalmodulin, formirajući kompleks 4Sa 2+ -kalmodulin. Ovaj kompleks stupa u interakciju sa Ca 2+ -kalmodulin zavisnim protein kinazama i drugim enzimima i povećava njihovu aktivnost. Aktivirana Ca 2+-kalmodulin-zavisna protein kinaza fosforilira određene proteine ​​i enzime, zbog čega se mijenja njihova aktivnost i brzina metaboličkih procesa u kojima učestvuju.

Povećanje koncentracije Ca 2+ u citosolu ćelije povećava brzinu interakcije Ca 2+ sa neaktivnim citosolnim enzimom protein kinaza C (PKC). Vezivanje PKC za jone kalcija stimulira kretanje proteina do plazma membrane i omogućava enzimu interakciju s negativno nabijenim „glavama“ molekula membranskog fosfatidilserina (PS). Diacilglicerol, koji zauzima specifična mesta u protein kinazi C, dodatno povećava njen afinitet za jone kalcijuma. Na unutrašnjoj strani membrane formira se aktivni oblik PKC (PKC? Ca2+? PS? DAG) koji fosforiliše specifične enzime.

Aktivacija IF sistema je kratkotrajna, a nakon što ćelija odgovori na stimulus, inaktiviraju se fosfolipaza C, protein kinaza C i Ca2+-kalmodulin zavisni enzimi. af ls - Podjedinica u kompleksu sa GTP i fosfolipazom C ispoljava enzimsku (GTP-fosfatazu) aktivnost, hidrolizuje GTP. GDP-vezana af ls podjedinica gubi svoj afinitet za fosfolipazu C i vraća se u prvobitno neaktivno stanje, tj. je uključen u αβγ-GDP kompleks Gf ls-protein).

Odvajanje af ls-GDF od fosfolipaze C inaktivira enzim i hidroliza FIF 2 se zaustavlja. Povećanje koncentracije Ca 2+ u citosolu aktivira Ca 2+ -ATPazu endoplazmatskog retikuluma, citoplazmatske membrane, koja „ispumpava“ Ca 2+ iz citosola ćelije. U ovom procesu učestvuju i Na+/Ca 2+- i H+/Ca 2+-nosači koji funkcionišu po principu aktivnog antiporta. Smanjenje koncentracije Ca 2+ dovodi do disocijacije i inaktivacije enzima zavisnih od Ca 2+ -kalmodulin, kao i gubitka afiniteta protein kinaze C za membranske lipide i smanjenja njene aktivnosti.

IP 3 i DAG koji nastaju kao rezultat aktivacije sistema mogu ponovo da interaguju jedan sa drugim i da se pretvore u fosfatidilinozitol-4,5-bisfosfat.

Fosforilirani enzimi i proteini pod djelovanjem fosfoprotein fosfataze prelaze u defosforilirani oblik, mijenjaju se njihova konformacija i aktivnost.

5. Katalitički receptori. Katalitički receptori su enzimi. Aktivatori ovih enzima mogu biti hormoni, faktori rasta, citokini. U aktivnom obliku, receptor-enzimi fosforiliraju specifične proteine ​​na -OH grupama tirozina, pa se nazivaju tirozin protein kinaze (slika 4.15). Preko posebnih mehanizama, signal koji prima katalitički receptor može se prenijeti u jezgro, gdje stimulira ili potiskuje ekspresiju određenih gena.

Rice. 4.15. Aktivacija inzulinskog receptora.

Fosfoprotein fosfataza defosforilira specifične fosfoproteine.

Fosfodiesteraza pretvara cAMP u AMP i cGMP u GMP.

GLUT 4 - transporteri glukoze u tkivima zavisnim od insulina.

Tirozin protein fosfataza defosforilira β-podjedinicu receptora

insulin

Primjer katalitičkog receptora je insulinski receptor, koji se sastoji od dvije a- i dvije β-podjedinice. a-podjedinice se nalaze na vanjskoj površini ćelijske membrane, β-podjedinice prodiru u dvosloj membrane. Vezujuće mjesto za inzulin formiraju N-terminalni domeni α-podjedinica. Katalitički centar receptora nalazi se na intracelularnim domenima β-podjedinica. Citosolni dio receptora ima nekoliko ostataka tirozina koji se mogu fosforilirati i defosforilirati.

Vezivanje insulina na mesto vezivanja koje formiraju a-podjedinice izaziva kooperativne konformacione promene u receptoru. β-podjedinice pokazuju aktivnost tirozin kinaze i katalizuju transautofosforilaciju (prva β-podjedinica fosforilira drugu β-podjedinicu i obrnuto) na nekoliko ostataka tirozina. Fosforilacija dovodi do promjene naboja, konformacije i specifičnosti supstrata enzima (Tyr-PA). Tirozin-PK fosforiliše određene ćelijske proteine, koji se nazivaju supstrati insulinskih receptora. Zauzvrat, ovi proteini su uključeni u aktivaciju kaskade reakcija fosforilacije:

fosfoprotein fosfataza(FPF), koji defosforilira specifične fosfoproteine;

fosfodiesteraza, koji pretvara cAMP u AMP i cGMP u GMP;

GLUT 4- nosači glukoze u tkivima zavisnim od insulina, stoga se povećava unos glukoze u ćelije mišića i masnog tkiva;

tirozin protein fosfataza koji defosforiliše β-podjedinicu inzulinskog receptora;

nuklearni regulatorni proteini, faktori transkripcije, povećati ili smanjiti ekspresiju gena određenih enzima.

Implementacija efekta faktori rasta može se izvesti pomoću katalitičkih receptora, koji se sastoje od jednog polipeptidnog lanca, ali formiraju dimere nakon vezivanja primarnog glasnika. Svi receptori ovog tipa imaju ekstracelularni glikoziliran domen, transmembranski (a-heliks) i citoplazmatski domen koji je sposoban da pokaže aktivnost protein kinaze nakon aktivacije.

Dimerizacija potiče aktivaciju njihovih katalitičkih intracelularnih domena, koji provode transautofosforilaciju na aminokiselinskim ostacima serina, treonina ili tirozina. Vezivanje ostataka fosfora dovodi do formiranja mesta vezivanja za specifične citosolne proteine ​​u receptoru i aktivacije kaskade transdukcije signala protein kinaze (slika 4.16).

Redoslijed događaja prijenosa signala primarnih glasnika (faktora rasta) uz učešće Ras- i Raf-proteina.

Vezivanje receptora (R) za faktor rasta (GF) dovodi do njegove dimerizacije i transautofosforilacije. Fosforilisani receptor stiče afinitet za protein Grb2. Formirani FR*R*Grb2 kompleks stupa u interakciju sa citosolnim SOS proteinom. Promjena SOS konformacije

osigurava njegovu interakciju sa usidrenim Ras-GDF membranskim proteinom. Formiranje FR?R?Grb2?SOS?Ras-GDP kompleksa smanjuje afinitet Ras proteina za GDP i povećava afinitet za GTP.

Zamjena GDP-a GTP-om mijenja konformaciju Ras proteina, koji se oslobađa iz kompleksa i stupa u interakciju sa Raf proteinom u području membrane. Ras–GTP–Raf kompleks pokazuje aktivnost protein kinaze i fosforiliše enzim MEK kinazu. Aktivirana MEK kinaza zauzvrat fosforilira MAP kinazu na treonin i tirozin.

Sl.4.16. MAP kinaza kaskada.

Receptori ovog tipa imaju epidermalni faktor rasta (EGF), faktor rasta nerava (NGF) i druge faktore rasta.

Grb2 - protein koji je u interakciji sa receptorom faktora rasta (protein koji vezuje receptor rasta); SOS (GEF) - faktor razmene GDP-GTP (faktor razmene gvanin nukleotida); Ras - G-protein (gvanidin trifosfataza); Raf-kinaza - u svom aktivnom obliku - fosforilira MEK-kinazu; MEK kinaza - MAP kinaza kinaza; MAP kinaza - protein kinaza aktivirana mitogenom (protein kinaza aktivirana mitogenom)

Vezanje -PO 3 2 - grupe za aminokiselinske radikale MAP kinaze mijenja njen naboj, konformaciju i aktivnost. Enzim fosforiliše specifične proteine ​​membrane, citosola i jezgra za serin i treonin.

Promjene u aktivnosti ovih proteina utiču na brzinu metaboličkih procesa, funkcioniranje membranskih translokaza i mitotičku aktivnost ciljnih stanica.

Receptori sa aktivnost gvanilat ciklaze nazivaju se i katalitički receptori. Gvanilat ciklaza katalizira stvaranje cGMP iz GTP, koji je jedan od važnih glasnika (medijatora) unutarćelijskog prijenosa signala (slika 4.17).

Rice. 4.17. Regulacija aktivnosti membranske gvanilat ciklaze.

Gvanilat ciklaza (GC) vezana na membranu je transmembranski glikoprotein. Vezivni centar signalne molekule nalazi se na ekstracelularnoj domeni, intracelularni domen gvanilat ciklaze ispoljava katalitičku aktivnost kao rezultat aktivacije

Vezanje primarnog glasnika na receptor aktivira gvanilat ciklazu, koja katalizuje konverziju GTP u ciklički gvanozin-3,5'-monofosfat (cGMP), drugi glasnik. Koncentracija cGMP raste u ćeliji. cGMP molekuli mogu se reverzibilno vezati za regulatorne centre protein kinaze G (PKG5), koja se sastoji od dvije podjedinice. Četiri molekula cGMP mijenjaju konformaciju i aktivnost enzima. Aktivna protein kinaza G katalizira fosforilaciju određenih proteina i enzima u ćelijskom citosolu. Jedan od primarnih glasnika protein kinaze G je atrijalni natriuretski faktor (ANF), koji reguliše homeostazu tečnosti u telu.

6. Prijenos signala pomoću intracelularnih receptora. Hemijski hidrofobni hormoni (steroidni hormoni i tiroksin) mogu difundirati kroz membrane, pa se njihovi receptori nalaze u citosolu ili ćelijskom jezgru.

Citosolni receptori su povezani sa šaperonskim proteinom koji sprečava preranu aktivaciju receptora. Nuklearni i citosolni receptori za steroidne i tiroidne hormone sadrže DNK-vezujući domen koji osigurava interakciju hormonsko-receptorskog kompleksa sa regulatornim regijama DNK u jezgru i promjenu brzine transkripcije.

Slijed događaja koji dovode do promjene brzine transkripcije

Hormon prolazi kroz lipidni dvosloj ćelijske membrane. U citosolu ili jezgru, hormon stupa u interakciju sa receptorom. Kompleks hormon-receptor prelazi u jezgro i vezuje se za regulatornu sekvencu nukleotida DNK - pojačivač(Sl. 4.18) ili prigušivač. Dostupnost promotora za RNA polimerazu se povećava nakon interakcije sa pojačivačem ili se smanjuje nakon interakcije sa prigušivačem. Shodno tome, stopa transkripcije određenih strukturnih gena se povećava ili smanjuje. Zrele mRNA se oslobađaju iz jezgra. Brzina translacije određenih proteina se povećava ili smanjuje. Promjene u količini proteina koje utiču na metabolizam i funkcionalno stanjećelije.

U svakoj ćeliji postoje receptori uključeni u različite sisteme pretvarača signala koji sve transformišu eksternih signala u intracelularno. Broj receptora za određenog prvog glasnika može varirati od 500 do preko 100.000 po ćeliji. Nalaze se na membrani udaljeno jedna od druge ili su koncentrisane u određenim njezinim područjima.

Rice. 4.18. Prijenos signala do intracelularnih receptora

b) iz tabele odaberite lipide uključene u:

1. Aktivacija protein kinaze C

2. Reakcije formiranja DAG-a pod dejstvom fosfolipaze C

3. Formiranje mijelinskih ovojnica nervnih vlakana

c) napišite reakciju hidrolize lipida koju ste odabrali u paragrafu 2;

d) naznačiti koji od produkata hidrolize je uključen u regulaciju Ca 2 + kanala endoplazmatskog retikuluma.

2. Odaberite tačne odgovore.

Na konformacionu labilnost proteina nosača mogu uticati:

B. Promjena električnog potencijala preko membrane

B. Vezanje specifičnih molekula D. Sastav masnih kiselina dvoslojnih lipida E. Količina transportirane tvari

3. Postavi utakmicu:

A. ER kalcijumski kanal B. Ca 2 +-ATPaza

D. Ka + ovisan nosilac Ca 2 + D. N +, K + -ATPaza

1. Nosi Na+ duž gradijenta koncentracije

2. Radi po mehanizmu olakšane difuzije

3. Nosi Na+ protiv gradijenta koncentracije

4. Prenesite tabelu. 4.2. svesku i popuni je.

Tabela 4.2. Sistemi adenilat ciklaze i inozitol fosfata

Struktura i faze rada	Sistem adenilat ciklaze	Inozitol fosfatni sistem
Primjer primarnog glasnika sistema
Integralni protein ćelijske membrane u komplementarnoj interakciji sa primarnim glasnikom
Protein koji aktivira signalni enzim
Enzimski sistem koji formira sekundarni(e) glasnik(e)
Sekundarni glasnik(i) sistema
Citosolni (e) enzim(i) sistema u interakciji (e) sa drugim glasnikom
Mehanizam regulacije (u ovom sistemu) aktivnosti enzima metaboličkih puteva
Mehanizmi za smanjenje koncentracije sekundarnih glasnika u ciljnoj ćeliji
Razlog za smanjenje aktivnosti membranskog enzima signalnog sistema

ZADACI ZA SAMOKONTROLU

1. Postavi utakmicu:

A. Pasivni simport B. Pasivni antiport

B. Endocitoza D. Egzocitoza

D. Primarni aktivni transport

1. Transport supstance u ćeliju odvija se zajedno sa delom plazma membrane

2. Istovremeno, dvije različite supstance prolaze u ćeliju duž gradijenta koncentracije

3. Transport tvari ide protiv gradijenta koncentracije

2. Izaberi tačan odgovor.

ag-GTP-povezana podjedinica G-proteina aktivira:

A. Receptor

B. Protein kinaza A

B. Fosfodiesteraza D. Adenilat ciklaza E. Protein kinaza C

3. Postavite utakmicu.

Funkcija:

A. Reguliše aktivnost katalitičkog receptora B. Aktivira fosfolipazu C

B. Pretvara protein kinazu A u njen aktivni oblik

D. Povećava koncentraciju Ca 2+ u citosolu ćelije E. Aktivira protein kinazu C

Drugi glasnik:

4. Postavite utakmicu.

Funkcionisanje:

A. Sposoban za bočnu difuziju u dvosloju membrane

B. U kombinaciji sa primarnim glasnikom, pridružuje se pojačivaču

B. Pokazuje enzimsku aktivnost u interakciji sa primarnim glasnikom

G. Može stupiti u interakciju sa G-proteinom

D. Interagira sa fosfolipazom C tokom prenosa signala receptor:

1. Insulin

2. Adrenalin

3. Steroidni hormon

5. Dovršite zadatak "lanac":

A) peptidni hormoni u interakciji sa receptorima:

A. U citosolu ćelije

B. Integralni proteini ciljnih ćelijskih membrana

B. U ćelijskom jezgru

G. Kovalentno povezan sa FIF 2

b) interakcija takvog receptora s hormonom uzrokuje povećanje koncentracije u ćeliji:

A. Hormon

B. Intermedijarni metaboliti

B. Drugi glasnici D. Nuklearni proteini

V) ovi molekuli mogu biti:

A. TAG B. GTP

B. FIF 2 D. cAMP

G) aktiviraju:

A. Adenilat ciklaza

B. Kalmodulin ovisan o Ca 2+

B. Protein kinaza A D. Fosfolipaza C

e) ovaj enzim mijenja brzinu metaboličkih procesa u ćeliji:

A. Povećanje koncentracije Ca 2+ u citosolu B. Fosforilacija regulatornih enzima

B. Aktivacija protenfosfataze

D. Promjene u ekspresiji regulatornih proteinskih gena

6. Dovršite zadatak "lanac":

A) vezivanje faktora rasta (GF) na receptor (R) dovodi do:

A. Promjene u lokalizaciji FR-R kompleksa

B. Dimerizacija i transautofosforilacija receptora

B. Promjena konformacije receptora i vezivanja za Gs protein D. Kretanje FR-R kompleksa

b) takve promjene u strukturi receptora povećavaju njegov afinitet za površinski protein membrane:

B. Raf G. Grb2

V) ova interakcija povećava vjerovatnoću vezivanja za citosolni proteinski kompleks:

A. Kalmodulina B. Ras

B. PCS D. SOS

G) što povećava komplementarnost kompleksa sa "usidrenim" proteinom:

e) promjena u konformaciji "usidrenog" proteina smanjuje njegov afinitet za:

A. cAMP B. GTP

B. GDF G. ATP

e) ova supstanca se zamjenjuje sa:

A. GDF B. AMP

B. cGMP D. GTP

i) vezivanje nukleotida potiče interakciju "usidrenog" proteina sa:

A. PKA B. Kalmodulin

h) Ovaj protein je dio kompleksa koji fosforilira:

A. MEK kinaza B. Protein kinaza C

B. Protein kinaza A D. MAP kinaza

i) Ovaj enzim zauzvrat aktivira:

A. MEK kinaza B. Protein kinaza G

B. Raf protein D. MAP kinaza

j) fosforilacija proteina povećava njegov afinitet za:

A. SOS i Raf proteini B. Nuklearni regulatorni proteini B. Kalmodulin D. Nuklearni receptori

k) aktivacija ovih proteina dovodi do:

A. Defosforilacija GTP u aktivnom centru Ras proteina B. Smanjen afinitet receptora za faktor rasta

B. Povećanje brzine biosinteze matriksa D. Disocijacija SOS-Grb2 kompleksa

m) kao rezultat ovoga:

A. SOS protein se oslobađa iz receptora

B. Dolazi do disocijacije protomera receptora (R).

B. Ras protein se odvaja od Raf proteina

D. Povećava se proliferativna aktivnost ciljne ćelije.

STANDARDI ODGOVORA NA "ZADACI ZA SAMOKONTROLU"

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

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

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

OSNOVNI POJMOVI I POJMOVI

1. Struktura i funkcije membrana

2. Transport tvari kroz membrane

3. Strukturne karakteristike membranskih proteina

4. Transmembranski sistemi za transdukciju signala (adenilat ciklaza, inozitol fosfat, gvanilat ciklaza, katalitički i intracelularni receptori)

5. Primarni glasnici

6. Sekundarni glasnici (posrednici)

ZADACI ZA AUDIOCIJSKI RAD

1. Vidi sl. 4.19 i završiti sljedeće zadatke:

a) navedite način prevoza;

b) postavite redosled događaja:

A. Cl - napušta ćeliju duž gradijenta koncentracije

B. Protein kinaza A fosforilira R-podjedinicu kanala

B. Promjene konformacije R-podjedinice

D. Javljaju se kooperativne konformacijske promjene u membranskom proteinu

D. Sistem adenilat ciklaze je aktiviran

Rice. 4.19. Funkcionisanje C1 - kanala crijevnog endotela.

R je regulatorni protein koji se pretvara u fosforilirani oblik djelovanjem protein kinaze A (PKA)

c) uporediti funkcionisanje Ca 2+ kanala membrane endoplazmatskog retikuluma i Cl - kanala intestinalne endotelne ćelije, popunjavajući tabelu. 4.3.

Tabela 4.3. Načini regulacije funkcionisanja kanala

Riješiti probleme

1. Kontrakcija srčanog mišića aktivira Ca 2+, čiji se sadržaj u citosolu stanice povećava zbog funkcioniranja cAMP-ovisnih nosača citoplazmatske membrane. Zauzvrat, koncentraciju cAMP u stanicama reguliraju dva signalna molekula - adrenalin i acetilkolin. Štaviše, poznato je da adrenalin, u interakciji sa β2-adrenergičkim receptorima, povećava koncentraciju cAMP u ćelijama miokarda i stimuliše minutni volumen srca, a acetilholin, u interakciji sa M 2 -holinergičkim receptorima, smanjuje nivo cAMP i kontraktilnost miokarda. Objasnite zašto dva primarna glasnika, koristeći isti sistem za transdukciju signala, izazivaju različit ćelijski odgovor. Za ovo:

a) predstavi shemu transdukcije signala za adrenalin i acetilholin;

b) ukazati na razliku u kaskadama signalizacije ovih glasnika.

2. Acetilholin, u interakciji sa M 3 -holinergičkim receptorima pljuvačnih žlezda, stimuliše oslobađanje Ca 2+ iz ER. Povećanje koncentracije Ca 2+ u citosolu osigurava egzocitozu sekretornih granula i oslobađanje elektrolita i male količine proteina u pljuvačni kanal. Objasnite kako se reguliraju Ca 2+ kanali ER. Za ovo:

a) imenovati drugi glasnik koji omogućava otvaranje ER Ca 2+ kanala;

b) napišite reakciju za formiranje drugog glasnika;

c) predstavi shemu transmembranske signalne transdukcije acetilholina, pri čijoj aktivaciji regulatorni ligand Ca 2+ -može-

3. Istraživači inzulinskih receptora su identificirali značajnu promjenu u genu za protein, jedan od supstrata inzulinskih receptora. Kako će poremećaj u strukturi ovog proteina uticati na funkcionisanje inzulinskog signalnog sistema? Da odgovorite na pitanje:

a) dati dijagram transmembranske signalizacije insulina;

b) navedite proteine ​​i enzime koji aktiviraju inzulin u ciljnim stanicama, naznačite njihovu funkciju.

4. Ras protein je "usidren" protein u citoplazmatskoj membrani. Funkciju "sidra" obavlja 15-ugljični ostatak farnezila H 3 C-(CH 3) C \u003d CH-CH 2 - [CH 2 - (CH 3) C \u003d CH-CH 2 ] 2 -, koji je vezan za protein pomoću enzima farneziltransferaze tokom posttranslacijske modifikacije. Trenutno su inhibitori ovog enzima podvrgnuti kliničkim ispitivanjima.

Zašto upotreba ovih lijekova narušava transdukciju signala faktora rasta? Za odgovor:

a) predstavi shemu transdukcije signala koja uključuje Ras proteine;

b) objasni funkciju Ras proteina i posledice njihovog neuspeha acilacije;

c) pogodite koje bolesti su ovi lijekovi razvijeni za liječenje.

5. Steroidni hormon kalcitriol aktivira apsorpciju kalcijuma iz ishrane povećanjem količine proteina nosača Ca 2+ u ćelijama creva. Objasniti mehanizam djelovanja kalcitriola. Za ovo:

a) dati opštu šemu signalne transdukcije steroidnih hormona i opisati njeno funkcionisanje;

b) imenovati proces koji aktivira hormon u jezgru ciljne ćelije;

c) naznačiti u kojoj će biosintezi matriksa učestvovati molekuli sintetizirani u jezgru i gdje se ona odvija.

Opće ideje o putevima prijenosa signala

Za većinu regulatornih molekula između njihovog vezivanja za membranski receptor i konačnog odgovora ćelije, tj. promjenom njegovog rada uklješćuje se složeni niz događaja - određenih puteva prijenosa signala, inače tzv putevi transdukcije signala.

Regulatorne supstance se obično dijele na endokrine, neurokrine i parakrine. Endokrine regulatori (hormoni) izlučuju endokrine stanice u krv i njome se prenose do ciljnih stanica, koje se mogu nalaziti bilo gdje u tijelu. neurokrini regulatore oslobađaju neuroni u neposrednoj blizini ciljnih ćelija. parakrina supstance se oslobađaju malo dalje od meta, ali ipak dovoljno blizu njih da dođu do receptora. Parakrine supstance luče jedna vrsta ćelije i deluju na drugu, ali u nekim slučajevima regulatori su usmereni na ćelije koje su ih izlučile, ili na susedne ćelije istog tipa. To se zove autokrini regulacija.

U nekim slučajevima, posljednja faza transdukcije signala sastoji se u fosforilaciji određenih efektorskih proteina, što dovodi do povećanja ili inhibicije njihove aktivnosti, a to zauzvrat određuje ćelijski odgovor neophodan za tijelo. Provodi se fosforilacija proteina protein kinaza, i defosforilacija protein fosfataza.

Promjene u aktivnosti protein kinaze rezultat su vezivanja regulatornog molekula (općenito tzv ligand) sa svojim membranskim receptorom, koji pokreće kaskade događaja, od kojih su neki prikazani na slici (slika 2-1). Aktivnost različitih protein kinaza reguliše receptor ne direktno, već preko sekundarni glasnici(sekundarni posrednici), koji su npr. ciklički AMP (cAMP), ciklički GMP (cGMP), Ca 2+, inozitol-1,4,5-trifosfat (IP 3) I diacilglicerol (DAG). U ovom slučaju, vezivanje liganda za membranski receptor mijenja intracelularni nivo drugog glasnika, što zauzvrat utiče na aktivnost protein kinaze. Mnogi regulatori-

nye molekule utiču ćelijskih procesa putem puteva transdukcije signala koji uključuju heterotrimerni GTP-vezujući proteini (heterotrimerni G-proteini) ili monomerni GTP-vezujući proteini (monomerni G-proteini).

Kada se molekuli liganda vežu za membranske receptore koji stupaju u interakciju sa heterotrimernim G proteinima, G protein prelazi u aktivno stanje vezivanjem za GTP. Aktivirani G protein tada može komunicirati sa mnogima efektorski proteini. posebno enzimi kao npr adenilat ciklaza, fosfodiesteraza, fosfolipaze C, A 2 I D. Ova interakcija pokreće lance reakcija (slika 2-1) koje rezultiraju aktivacijom različitih protein kinaza, kao npr. protein kinaza A (PKA), protein kinaza G (PKG), protein kinaza C (PIS).

IN uopšteno govoreći put transdukcije signala koji uključuje G-proteine ​​- protein kinaze uključuje sljedeće korake.

1. Ligand se vezuje za receptor na ćelijskoj membrani.

2. Receptor vezan za ligand, u interakciji sa G-proteinom, aktivira ga, a aktivirani G-protein vezuje GTP.

3. Aktivirani G-protein stupa u interakciju sa jednim ili više od sljedećih spojeva: adenilat ciklaza, fosfodiesteraza, fosfolipaze C, A 2 , D, aktivirajući ih ili inhibirajući ih.

4. Intracelularni nivo jednog ili više sekundarnih glasnika, kao što su cAMP, cGMP, Ca 2+, IP 3 ili DAG, se povećava ili smanjuje.

5. Povećanje ili smanjenje koncentracije drugog glasnika utiče na aktivnost jedne ili više protein kinaza zavisnih od njega, kao što je cAMP zavisna protein kinaza (protein kinaza A), cGMP zavisna protein kinaza (PCG), kalmodulin zavisna protein kinaza(CMPC), protein kinaza C. Promjena koncentracije drugog glasnika može aktivirati jedan ili drugi jonski kanal.

6. Nivo fosforilacije enzima ili jonskog kanala se menja, što utiče na aktivnost jonskog kanala, izazivajući konačni odgovor ćelije.

Rice. 2-1. Neke kaskade događaja koji se realizuju u ćeliji zahvaljujući sekundarnim medijatorima.

Oznake: * - aktivirani enzim

Membranski receptori povezani sa G proteinima

Membranski receptori koji posreduju u agonisti zavisnoj aktivaciji G-proteina čine posebnu porodicu proteina sa više od 500 članova. Uključuje α- i β-adrenergičke, muskarinski acetilholin, serotonin, adenozin, olfaktorne receptore, rodopsin, kao i receptore za većinu peptidnih hormona. Članovi porodice receptora vezanih za G protein imaju sedam transmembranskih α-heliksa (slika 2-2A), od kojih svaka sadrži 22-28 pretežno hidrofobnih aminokiselinskih ostataka.

Za neke ligande, kao što su acetilholin, epinefrin, norepinefrin i serotonin, poznati su različiti podtipovi receptora vezanih za G protein. Često se razlikuju po afinitetu za kompetitivne agoniste i antagoniste.

Slijedi (slika 2-2 B) molekularna organizacija adenilat ciklaze, enzima koji proizvodi cAMP (prvi otkriveni drugi glasnik). Regulatorni put adenilat ciklaze smatra se klasičnim putem signalne transdukcije posredovane G-proteinom.

Adenilil ciklaza služi kao osnova za pozitivnu ili negativnu kontrolu puteva transdukcije signala preko G proteina. U pozitivnoj kontroli, vezivanje stimulativnog liganda, kao što je epinefrin, koji deluje preko β-adrenergičkih receptora, dovodi do aktivacije heterotrimernih G proteina sa α podjedinicom tipa as ("s" označava stimulaciju). Aktivacija G proteina Gs tipa od strane receptora vezanih za ligand uzrokuje da se kao podjedinica veže GTP, a zatim se odvoji od βγ-dimera.

Slika 2-2B pokazuje kako fosfolipaza C cijepa fosfatidilinozitol 4,5-difosfat u inozitol-1,4,5-trifosfat i diacilglicerol. Obje supstance, inozitol-1,4,5-trifosfat i diacilglicerol, su sekundarni glasnici. IP3 se vezuje za specifične ligand-zavisne Ca 2+ kanale endoplazmatskog retikuluma i oslobađa Ca 2+ iz njega; povećava koncentraciju Ca 2+ u citosolu. Diacilglicerol, zajedno sa Ca 2+, aktivira još jednu važnu klasu protein kinaza, protein kinazu C.

Zatim je prikazana struktura nekih sekundarnih glasnika (slika 2-2 D-F): cAMP, GMF,

cGMP.

Rice. 2-2. Primjeri molekularne organizacije nekih struktura uključenih u puteve prijenosa signala.

A je receptor stanične membrane koji veže ligand na vanjskoj površini, a heterotrimerni G-protein iznutra. B - molekularna organizacija adenilat ciklaze. B - struktura fosfatidilinozitol-4,5-difosfata i inozitol-1,4,5-trifosfata nastalih pod dejstvom fosfolipaze C i diacilglicerola. D - struktura 3",5"-cikličkog AMP (aktivator protein kinaze A). D - struktura HMF-a. E - struktura 3",5"-cikličkog GMF (aktivator protein kinaze G)

Heterotrimerni G proteini

Heterotrimerni G-protein se sastoji od tri podjedinice: α (40.000-45.000 Da), β (oko 37.000 Da) i γ (8.000-10.000 Da). Sada je poznato oko 20 različitih gena koji kodiraju ove podjedinice, uključujući najmanje četiri gena β-podjedinice sisara i otprilike sedam gena γ-podjedinica sisara. Funkcija i specifičnost G proteina obično je, iako ne uvijek, određena njegovom α podjedinicom. U većini G proteina, β i γ podjedinice su čvrsto povezane. Neki heterotrimerni G proteini i transdukcioni putevi u koje su uključeni navedeni su u tabeli 1. 2-1.

Heterotrimerni G proteini posreduju između receptora plazma membrane za više od 100 ekstracelularnih regulatornih supstanci i intracelularnih procesa koje kontrolišu. Uopšteno govoreći, vezivanje regulatorne supstance za njen receptor aktivira G protein, koji ili aktivira ili inhibira enzim i/ili izaziva lanac događaja koji dovode do aktivacije određenih jonskih kanala.

Na sl. 2-3 predstavljeno opšti princip rad heterotrimernih G-proteina. U većini G proteina, α podjedinica je "radna jedinica" heterotrimernih G proteina. Aktivacija većine G proteina dovodi do konformacijske promjene u ovoj podjedinici. Neaktivni G proteini postoje uglavnom u obliku αβγ heterotrimera,

sa GDP na pozicijama koje vezuju nukleotide. Interakcija heterotrimernih G-proteina sa receptorom vezanim za ligand dovodi do transformacije α-podjedinice u aktivni oblik sa povećanim afinitetom za GTP i smanjenim afinitetom za βγ-kompleks. Kao rezultat toga, aktivirana α-podjedinica oslobađa GDP, vezuje GTP, a zatim se odvaja od βγ-dimera. U većini G proteina, disocirana α podjedinica tada stupa u interakciju sa efektorskim proteinima u putu transdukcije signala. Međutim, u nekim G proteinima, oslobođeni βγ-dimer može biti odgovoran za neke ili sve efekte kompleksa receptor-ligand.

Rad nekih jonskih kanala je direktno moduliran od strane G-proteina; bez učešća sekundarnih glasnika. Na primjer, vezivanje acetilholina za muskarinske M 2 receptore u srcu i nekim neuronima dovodi do aktivacije posebne klase K+ kanala. U ovom slučaju, vezivanje acetilholina za muskarinski receptor dovodi do aktivacije G proteina. Njegova aktivirana α-podjedinica se zatim odvaja od βγ-dimera, a βγ-dimer direktno stupa u interakciju sa posebnom klasom K+ kanala, dovodeći ih u otvoreno stanje. Vezivanje acetilholina za muskarinske receptore, što povećava K+ provodljivost ćelija pejsmejkera u sinoatrijalnom čvoru srca, jedan je od glavnih mehanizama kojim se parasimpatičkih nerava uzrokovati smanjenje otkucaja srca.

Rice. 2-3. Princip rada heterotrimernih GTP-vezujućih proteina (heterotrimernih G-proteina).

Tabela 2-1.Neki heterotrimerni GTP-vezujući proteini sisara klasifikovani su na osnovu njihovih α-podjedinica*

* Unutar svake klase α-podjedinica razlikuje se nekoliko izoforma. Identificirano je više od 20 α-podjedinica.

Monomerni G proteini

Ćelije sadrže još jednu familiju GTP-vezujućih proteina tzv monomerni GTP-vezujući proteini. Poznati su i kao G-proteini male molekularne težine ili mali G proteini(molekulska težina 20.000-35.000 Da). Tabela 2-2 navodi glavne podklase monomernih GTP-vezujućih proteina i neka njihova svojstva. Ras-slični i Rho-slični monomerni GTP-vezujući proteini uključeni su u put transdukcije signala u fazi transdukcije signala od tirozin kinaze receptora faktora rasta do intracelularnih efektora. Među procesima regulisanim putevima transdukcije signala, u kojima su uključeni monomerni GTP-vezujući proteini, su izduženje polipeptidnog lanca tokom sinteze proteina, proliferacija i diferencijacija ćelija, njihova maligna transformacija, kontrola aktinskog citoskeleta, komunikacija između citoskeleta

i ekstracelularni matriks, transport vezikula između različitih organela i egzocitotička sekrecija.

Monomerni GTP-vezujući proteini, kao i njihovi heterotrimerni parnjaci, su molekularni prekidači koji postoje u dva oblika - aktivirani "uključeno" i inaktivirani "isključeni" (slika 2-4 B). Međutim, za aktivaciju i inaktivaciju monomernih GTP-vezujućih proteina potrebni su dodatni regulatorni proteini, koji, koliko nam je poznato, nisu potrebni za rad heterotrimernih G-proteina. Monomerni G proteini se aktiviraju proteini koji oslobađaju gvanin-nukleotide, ali su inaktivirani Proteini koji aktiviraju GTPazu. Dakle, aktivacija i inaktivacija monomernih GTP-vezujućih proteina je kontrolirana signalima koji mijenjaju aktivnost proteini koji oslobađaju gvanin-nukleotide ili Proteini koji aktiviraju GTPazu nego direktnim djelovanjem na monomerne G-proteine.

Rice. 2-4. Princip rada monomernih GTP-vezujućih proteina (monomerni G-proteini).

Tabela 2-2.Podfamilije monomernih GTP-vezujućih proteina i neki intracelularni procesi regulirani njima

Mehanizam rada heterotrimernih G-proteina

Neaktivni G proteini postoje prvenstveno u obliku αβγ heterotrimera, sa GDP na njihovim pozicijama za vezivanje nukleotida (Slika 2-5A). Interakcija heterotrimernih G-proteina sa receptorom vezanim za ligand dovodi do transformacije α-podjedinice u aktivni oblik, koji ima povećan afinitet za GTP i smanjen afinitet za βγ-kompleks (slika 2-5 B ). U većini heterotrimernih G proteina, α-podjedinica je struktura koja prenosi informacije. Aktivacija većine G proteina dovodi do konformacijske promjene u α podjedinici.

Kao rezultat, aktivirana α-podjedinica oslobađa GDP, vezuje GTP (Slika 2-5C), a zatim se odvaja od βγ-dimera (Slika 2-5D). U većini G-proteina, disocirana α-podjedinica odmah stupa u interakciju sa efektorskim proteinima (E 1) u putu transdukcije signala (Slika 2-5D). Međutim, u nekim G proteinima, oslobođeni βγ-dimer može biti odgovoran za sve ili neke efekte kompleksa receptor-ligand. Tada βγ-dimer stupa u interakciju sa efektorskim proteinom E 2 (Slika 2-5 E). Dalje je pokazano da članovi RGS porodice G-proteina stimulišu hidrolizu GTP (sl. 2-5 E). Ovo inaktivira α podjedinicu i kombinuje sve podjedinice u αβγ heterotrimer.

Rice. 2-5. Ciklus rada heterotrimernog G-proteina, koji pokreće dalji lanac događaja uz pomoć svogα -podjedinice.

Oznake: R - receptor, L - ligand, E - efektorski protein

Putevi prijenosa signala kroz heterotrimerne G proteine

Slika 2-6A prikazuje tri liganda, njihove receptore povezane sa različitim G proteinima i njihove molekularne mete. Adenilat ciklaza je osnova za pozitivnu ili negativnu kontrolu puteva transdukcije signala koji su posredovani G proteinima. U pozitivnoj kontroli, vezivanje stimulativnog liganda, kao što je norepinefrin, koji djeluje preko β-adrenergičkih receptora, dovodi do aktivacije heterotrimernih G proteina sa α-S tipom α-podjedinice ("s" označava stimulaciju). Stoga se takav G protein naziva G proteinom G S-tipa. Aktivacija G s-tipa G proteina pomoću receptora vezanih za ligand uzrokuje da se njegova α s podjedinica veže za GTP i zatim se odvoji od β γ dimera.

Druge regulatorne supstance, kao što je epinefrin, koji deluje preko α 2 receptora, ili adenozin, koji deluje preko α 1 receptora, ili dopamin, koji deluje preko D 2 receptora, su uključeni u negativnu ili inhibitornu kontrolu adenilat ciklaze. Ove regulatorne supstance aktiviraju G i -tip G proteina koji imaju α i tip α-podjedinicu ("i" označava inhibiciju). Vezivanje inhibitornog liganda za njegov

receptor aktivira G i-tip G-proteina i uzrokuje disocijaciju njegove α i-podjedinice od βγ-dimera. Aktivirana α i -podjedinica se vezuje za adenilat ciklazu i inhibira njenu aktivnost. Osim toga, βγ-dimeri mogu vezati slobodne αs-podjedinice. Na taj način, vezivanje βγ-dimera za slobodnu αs podjedinicu dalje potiskuje stimulaciju adenilat ciklaze blokiranjem djelovanja stimulativnih liganada.

Druga klasa ekstracelularnih agonista (Slika 2-6 A) se vezuje za receptore koji aktiviraju, preko G proteina zvanog G q , β-izoformu fosfolipaze C. On cijepa fosfatidilinozitol-4,5-difosfat (fosfolipid prisutan u malim količine u plazma membrani) na inozitol-1,4,5-trifosfat i diacilglicerol, koji su sekundarni prenosioci. IP 3 se vezuje za specifične ligand-zavisne Ca 2+ kanale endoplazmatskog retikuluma i oslobađa Ca 2+ iz njega; povećava koncentraciju Ca 2+ u citosolu. Ca 2+ kanali endoplazmatskog retikuluma su uključeni u elektromehaničku spregu u skeletnom i srčanom mišiću. Diacilglicerol zajedno sa Ca 2+ aktivira protein kinazu C. Njegovi supstrati uključuju, na primjer, proteine ​​uključene u regulaciju diobe stanica.

Rice. 2-6. Primjeri puteva transdukcije signala kroz heterotrimerne G proteine.

A - u tri navedena primjera, vezivanje neurotransmitera za receptor dovodi do aktivacije G-proteina i naknadnog uključivanja puteva drugog glasnika. G s , G q i G i znače tri različita tipa heterotrimernih G proteina. B - regulacija ćelijskih proteina fosforilacijom dovodi do povećanja ili inhibicije njihove aktivnosti, a to zauzvrat određuje ćelijski odgovor neophodan organizmu. Fosforilaciju proteina vrše protein kinaze, a defosforilaciju protein fosfataze. Protein kinaza prenosi fosfatnu grupu (Pi) sa ATP-a na ostatke proteina serina, treonina ili tirozina. Ova fosforilacija reverzibilno mijenja strukturu i funkciju ćelijskih proteina. Obje vrste enzima, kinaze i fosfataze, regulirane su različitim intracelularnim sekundarnim glasnicima.

Aktivacijski putevi za intracelularne protein kinaze

Interakcija heterotrimernih G-proteina sa receptorom vezanim za ligand dovodi do transformacije α-podjedinice u aktivni oblik, koji ima povećan afinitet za GTP i smanjen afinitet za βγ-kompleks. Aktivacija većine G proteina rezultira konformacijskom promjenom α-podjedinice, koja oslobađa GDP, vezuje GTP, a zatim se odvaja od βγ-dimera. Nadalje, disocirana α-podjedinica stupa u interakciju sa efektorskim proteinima u putu transdukcije signala.

Slika 2-7A prikazuje aktivaciju heterotrimernih G proteina G s -tipa sa podjedinicom α s tipa α, koja se javlja zbog vezivanja za ligand receptora i dovodi do činjenice da α s -podjedinica G s -tipa G proteini vezuju GTP i zatim se odvajaju od βγ-dimera, a zatim stupaju u interakciju sa adenilat ciklaza. To dovodi do povećanja nivoa cAMP i aktivacije PKA.

Slika 2-7B prikazuje aktivaciju heterotrimernih G proteina G t-tipa sa α t-tip α podjedinicom, koja se javlja zbog vezivanja za ligand receptora i dovodi do činjenice da α t-podjedinica G t-tipa G proteini se aktiviraju i zatim odvajaju od βγ-dimera, a zatim stupaju u interakciju sa fosfodiesteraza. To dovodi do povećanja nivoa cGMP i aktivacije PKG.

Receptor α1 kateholamina stupa u interakciju sa G αq podjedinicom, koja aktivira fosfolipazu C. Slika 2-7B pokazuje aktivaciju heterotrimernih G proteina G αq-tipa sa α-podjedinicom α q tipa, koja se javlja zbog vezivanja liganda za receptor i dovodi do toga da se α q -podjedinica G-proteina G αq -tipa aktivira i zatim odvaja od βγ-dimera, a zatim stupa u interakciju sa fosfolipaza C. On cijepa fosfatidilinozitol-4,5-difosfat na IP 3 i DAG. Ovo rezultira povećanjem nivoa IP 3 i DAG-a. IP 3 , vezivanje za specifične ligand-zavisne Ca 2+ kanale endoplazmatskog retikuluma,

oslobađa Ca 2+ iz njega. DAG izaziva aktivaciju protein kinaze C. U nestimulisanoj ćeliji, značajna količina ovog enzima je u citosolu u neaktivnom obliku. Ca 2+ uzrokuje da se protein kinaza C veže za unutrašnju površinu plazma membrane. Ovdje se enzim može aktivirati diacilglicerolom, koji nastaje tokom hidrolize fosfatidilinozitol-4,5-difosfata. Membranski fosfatidilserin također može biti aktivator protein kinaze C ako je enzim u membrani.

Opisano je oko 10 izoformi protein kinaze C. Iako su neke od njih prisutne u mnogim ćelijama sisara, γ i ε podtipovi se nalaze uglavnom u ćelijama centralnog nervnog sistema. Podtipovi protein kinaze C razlikuju se ne samo u distribuciji u cijelom tijelu, već, očigledno, u mehanizmima regulacije njihove aktivnosti. Neki od njih u nestimulisanim ćelijama povezani su sa plazma membranom; ne zahtijevaju povećanje koncentracije Ca 2+ za aktivaciju. Neke izoforme protein kinaze C aktiviraju arahidonska kiselina ili druge nezasićene masne kiseline.

Inicijalna kratkotrajna aktivacija protein kinaze C nastaje pod dejstvom diacilglicerola, koji se oslobađa kada se aktivira fosfolipaza C β, a takođe i pod uticajem Ca 2+ koji se oslobađa iz intracelularnog skladištenja putem IP 3 . Dugotrajnu aktivaciju protein kinaze C pokreću fosfolipaze zavisne od receptora A 2 i D. One prvenstveno djeluju na fosfatidilholin, glavni membranski fosfolipid. Fosfolipaza A 2 odvaja od nje masnu kiselinu na drugom mjestu (obično nezasićenu) i lizofosfatidilholin. Oba ova proizvoda aktiviraju određene izoforme protein kinaze C. Fosfolipaza D zavisna od receptora cijepa fosfatidilholin da bi se formirala fosfatidna kiselina i holin. Fosfatidna kiselina se dalje cijepa na diacilglicerol, koji je uključen u dugotrajnu stimulaciju protein kinaze C.

Rice. 2-7. Osnovni principi aktivacije protein kinaze A, protein kinaze G i protein kinaze C.

Oznake: R - receptor, L - ligand

cAMP-ovisna protein kinaza (protein kinaza A) i povezani signalni putevi

U nedostatku cAMP, cAMP zavisna protein kinaza (protein kinaza A) sastoji se od četiri podjedinice: dvije regulatorne i dvije katalitičke. U većini tipova ćelija, katalitička podjedinica je ista, dok su regulatorne podjedinice vrlo specifične. Prisustvo regulatornih podjedinica gotovo potpuno potiskuje enzimsku aktivnost kompleksa. Dakle, aktivacija enzimske aktivnosti cAMP zavisne protein kinaze treba da uključi odvajanje regulatornih podjedinica iz kompleksa.

Aktivacija se događa u prisustvu mikromolarnih koncentracija cAMP. Svaka regulatorna podjedinica vezuje dva svoja molekula. Vezivanje cAMP izaziva konformacijske promjene u regulatornim podjedinicama i smanjuje afinitet njihove interakcije sa katalitičkim podjedinicama. Kao rezultat toga, regulatorne podjedinice se odvajaju od katalitičkih podjedinica, a katalitičke podjedinice se aktiviraju. Aktivna katalitička podjedinica fosforilira ciljne proteine ​​na određenim ostacima serina i treonina.

Poređenje aminokiselinskih sekvenci cAMP zavisnih i drugih klasa protein kinaza pokazuje da su, uprkos velikim razlikama u njihovim regulatornim svojstvima, svi ovi enzimi visoko homologni u primarnoj strukturi srednjeg dela. Ovaj dio sadrži ATP-vezujuću domenu i aktivno mjesto enzima, koje osigurava prijenos fosfata od ATP-a do proteina akceptora. Pločice kinaza izvan ovog katalitičkog jezgra proteina uključene su u regulaciju aktivnosti kinaze.

Utvrđena je i kristalna struktura katalitičke podjedinice cAMP zavisne protein kinaze. katalitički srednji dio molekul, koji je prisutan u svim poznatim protein kinazama, sastoji se od dva dijela. Manji dio sadrži neobično mjesto za vezivanje ATP-a, dok veći dio sadrži mjesto za vezanje peptida. Mnoge protein kinaze takođe sadrže regulatorni region poznat kao pseudosupstratni domen. Prema sekvenci aminokiselina, podsjeća na fosforilirane regije supstratnih proteina. Pseudosupstratni domen, vezivanjem za aktivno mjesto protein kinaze, inhibira fosforilaciju pravih supstrata protein kinaze. Aktivacija kinaze može uključivati ​​fosforilaciju ili nekovalentnu alosterijsku modifikaciju protein kinaze kako bi se eliminirao inhibitorni učinak domene pseudosubstrata.

Rice. 2-8. cAMP zavisna protein kinaza A i ciljevi.

Kada se epinefrin veže za odgovarajući receptor, aktivacija αs podjedinice stimuliše adenilat ciklazu sa povećanjem nivoa cAMP. cAMP aktivira protein kinazu A, koja fosforilacijom ima tri glavna efekta. (1) Protein kinaza A aktivira glikogen fosforilaznu kinazu, koja fosforilira i aktivira glikogen fosforilazu. (2) Protein kinaza A inaktivira glikogen sintazu i tako smanjuje proizvodnju glikogena. (3) Protein kinaza A aktivira inhibitor fosfoprotein fosfataze-1 i na taj način inhibira fosfatazu. Ukupni učinak je koordinacija promjena u nivou glukoze.

Oznake: UDP-glukoza - uridin difosfat glukoza

Hormonska regulacija aktivnosti adenilat ciklaze

Slika 2-9A prikazuje glavni mehanizam hormonski izazvane stimulacije i inhibicije adenilat ciklaze. Interakcija liganda sa receptorom povezanim sa α s tipom α podjedinice (stimulativno) izaziva aktivaciju adenilat ciklaze, dok interakcija liganda sa receptorom) povezanog sa podjedinicom α i tipa α (inhibitorno) izaziva inhibiciju enzim. G βγ podjedinica je identična i kod stimulativnih i kod inhibitornih G proteina. G α -podjedinice i receptori su različiti. Ligandom stimulisano formiranje aktivnih G α GTP kompleksa odvija se preko istih mehanizama u G αs i G αi proteinima. Međutim, G αs GTP i G αi GTP različito djeluju s adenilat ciklazom. Jedan (G αs GTP) stimuliše, a drugi G αi GTP) inhibira njegovu katalitičku aktivnost.

Slika 2-9B prikazuje mehanizam aktivacije i inhibicije adenilat ciklaze izazvane određenim hormonima. β 1 -, β 2 - i D 1 -receptori stupaju u interakciju sa podjedinicama koje aktiviraju adenilat ciklazu i povećavaju nivo cAMP. α 2 i D 2 receptori stupaju u interakciju sa G αi podjedinicama, koje inhibiraju adenilat ciklazu. (Što se tiče α1 receptora, on stupa u interakciju sa G podjedinicom, koja aktivira fosfolipazu C.) Razmotrite jedan od primjera prikazanih na slici. Adrenalin se vezuje za β1 receptor, što dovodi do aktivacije G αs proteina, koji stimuliše adenilat ciklazu. To dovodi do povećanja intracelularnog nivoa cAMP, a samim tim i pojačava aktivnost PKA. S druge strane, norepinefrin se vezuje za α2 receptor, što dovodi do aktivacije G αi proteina, koji inhibira adenilat ciklazu i na taj način smanjuje intracelularni nivo cAMP, smanjujući aktivnost PKA.

Rice. 2-9. Ligandom (hormonom) indukovana aktivacija i inhibicija adenilat ciklaze.

A je osnovni mehanizam. B - mehanizam u odnosu na specifične hormone

Protein kinaza C i srodni signalni putevi

α1 receptor je u interakciji sa G αq podjedinicom G proteina, koji aktivira fosfolipazu C. Fosfolipaza C cijepa fosfatidilinozitol 4,5-difosfat na IP 3 i DAG. IP 3 se vezuje za specifične ligand-zavisne Ca 2+ kanale endoplazmatskog retikuluma i oslobađa Ca 2+ iz njega; povećava koncentraciju Ca 2+ u citosolu. DAG izaziva aktivaciju protein kinaze C. U nestimuliranoj ćeliji, ovaj enzim je u citosolu u neaktivnoj

formu. Ako citosolni nivo Ca 2+ poraste, Ca 2+ stupa u interakciju sa protein kinazom C, što dovodi do vezivanja protein kinaze C za unutrašnju površinu ćelijske membrane. U ovom položaju enzim se aktivira diacilglicerolom, koji nastaje tokom hidrolize fosfatidilinozitol-4,5-difosfata. Membranski fosfatidilserin također može biti aktivator protein kinaze C ako je enzim u membrani.

Tabela 2-3 navodi izoforme protein kinaze C kod sisara i svojstva ovih izoforma.

Tabela 2-3.Osobine izoforma protein kinaze C sisara

DAG - diacilglicerol; FS - fosfatidilserin; FFA - cis-nezasićene masne kiseline; LPC - lizofosfatidilholin.

Rice. 2-10. Diacilglicerol/inozitol-1,4,5-trifosfatni signalni putevi

Fosfolipaze i srodni signalni putevi koristeći arahidonsku kiselinu kao primjer

Neki agonisti se aktiviraju preko G proteina fosfolipaza A 2, koji djeluje na membranske fosfolipide. Produkti njihovih reakcija mogu aktivirati protein kinazu C. Posebno, fosfolipaza A 2 odvaja masnu kiselinu koja se nalazi na drugoj poziciji od fosfolipida. Zbog činjenice da neki fosfolipidi sadrže arahidonsku kiselinu u ovoj poziciji, uzrokovana fosfolipazom A 2 cijepanjem ovih fosfolipida oslobađa se značajna količina iste.

Gore opisani signalni put arahidonske kiseline povezan sa fosfolipazom A 2 naziva se direktnim. indirektni put aktivacija arahidonske kiseline je povezana sa fosfolipazom C β.

Sama arahidonska kiselina je efektorska molekula, a osim toga, služi i kao prekursor za unutarćelijsku sintezu prostaglandini, prostaciklini, tromboksani I leukotrieni- važne klase regulatornih molekula. Arahidonska kiselina se također formira iz produkata razgradnje diacilglicerola.

Prostaglandini, prostaciklini i tromboksani se sintetiziraju iz arahidonske kiseline. put ovisan o ciklooksigenazi i leukotriene put ovisan o lipoksigenazi. Jedan od protuupalnih učinaka glukokortikoida je upravo inhibicija fosfolipaze A 2, koja oslobađa arahidonsku kiselinu iz fosfolipida. Acetilsalicilna kiselina(aspirin ) i drugi nesteroidni protuupalni lijekovi inhibiraju oksidaciju arahidonske kiseline ciklooksigenazom.

Rice. 2-11. Signalni putevi arahidonske kiseline.

Oznake: PG - prostaglandin, LH - leukotrien, GPETE - hidroperoksieikozatetraenoat, HETE - hidroksieikozatetraenoat, EPR - endoplazmatski retikulum

Kalmodulin: struktura i funkcije

Mnogi vitalni ćelijski procesi, uključujući oslobađanje neurotransmitera, lučenje hormona i kontrakciju mišića, regulirani su citosolnim razinama Ca 2+. Jedan od načina na koji ovaj ion utječe na ćelijske procese je njegovo vezivanje za kalmodulin.

Calmodulin- protein molekulske težine 16.700 (sl. 2-12 A). Prisutan je u svim ćelijama, ponekad čini i do 1% njihovog ukupnog sadržaja proteina. Kalmodulin vezuje četiri jona kalcijuma (sl. 2-12 B i C), nakon čega ovaj kompleks reguliše aktivnost različitih intracelularnih proteina, od kojih mnogi nisu povezani sa protein kinazama.

Ca 2+ kompleks sa kalmodulinom također aktivira protein kinaze zavisne od kalmodulina. Specifične protein kinaze zavisne od kalmodulina fosforilišu specifične efektorske proteine, kao što su miozinski regulatorni laki lanci, fosforilaza i faktor elongacije II. Multifunkcionalne protein kinaze zavisne od kalmodulina fosforiliraju brojne nuklearne, citoskeletne ili membranske proteine. Neke protein kinaze zavisne od kalmodulina, kao što je kinaza

laki lanac miozina i fosforilaza kinaza djeluju samo na jedan ćelijski supstrat, dok su drugi polifunkcionalni i fosforiliraju više od jednog supstratnog proteina.

Kalmodulin zavisna protein kinaza II pripada glavnim proteinima nervnog sistema. U nekim dijelovima mozga čini do 2% ukupnog proteina. Ova kinaza je uključena u mehanizam kojim povećanje koncentracije Ca 2+ u nervnom završetku uzrokuje oslobađanje neurotransmitera egzocitozom. Njegov glavni supstrat je protein tzv sinapsin I prisutna u nervnim završecima i povezana sa vanjskom površinom sinaptičkih vezikula. Kada je sinapsin I vezan za vezikule, sprečava egzocitozu. Fosforilacija sinapsina I uzrokuje njegovo odvajanje od vezikula, omogućavajući im da oslobode neurotransmiter u sinaptički pukotinu egzocitozom.

Kinaza lakog lanca miozina igra važnu ulogu u regulaciji kontrakcije glatkih mišića. Povećanje citosolne koncentracije Ca 2+ u ćelijama glatkih mišića aktivira kinazu lakog lanca miozina. Fosforilacija regulatornih lakih lanaca miozina dovodi do produžene kontrakcije glatkih mišićnih ćelija.

Rice. 2-12. Calmodulin.

A - kalmodulin bez kalcijuma. B - vezivanje kalcijuma za kalmodulin i peptidnu metu. B - šema povezivanja.

Oznake: EF - Ca 2+ -vezujući domeni kalmodulina

Receptori sa sopstvenom enzimskom aktivnošću (katalitički receptori)

Hormoni i faktori rasta vezuju se za proteine ​​na površini ćelije koji imaju enzimsku aktivnost na citoplazmatskoj strani membrane. Slika 2-13 prikazuje pet klasa katalitičkih receptora.

Jedan od karakterističnih primjera transmembrane receptori sa aktivnošću gvanilat ciklaze, receptor atrijalnog natriuretičkog peptida (ANP). Membranski receptor za koji se ANP vezuje nezavisan je od sistema za transdukciju signala. Iznad je opisano djelovanje ekstracelularnih agonista, koji vezivanjem za membranske receptore ili aktiviraju adenilat ciklazu preko G s proteina ili je inhibiraju preko G i . Membranski receptori za ANP su od interesa jer sami receptori imaju aktivnost gvanilat ciklaze stimulisanu vezivanjem ANP za receptor.

ANP receptori imaju ekstracelularni ANP vezujući domen, jedan transmembranski heliks i intracelularni domen gvanilat ciklaze. Vezivanje ANP-a za receptor povećava intracelularni nivo cGMP, koji stimuliše cGMP zavisnu protein kinazu. Za razliku od cAMP zavisne protein kinaze, koja ima regulatorne i katalitičke podjedinice, regulatorni i katalitički domeni cGMP zavisne protein kinaze nalaze se na istom polipeptidnom lancu. cGMP-ovisna kinaza zatim fosforilira intracelularne proteine, što dovodi do različitih ćelijskih odgovora.

Receptori sa aktivnošću serin-treonin kinaze fosforiliraju proteine ​​samo na ostacima serina i/ili treonina.

Druga porodica membranskih receptora koji nisu povezani sa G-proteinima se sastoji od proteina sa sopstvenom aktivnošću tirozin-protein kinaze. Receptori sa svojom aktivnošću tirozin-protein kinaze su proteini sa glikozilovanim ekstracelularnim domenom, jedini

transmembranski region i intracelularni domen sa aktivnošću tirozin-protein kinaze. Vezivanje agonista za njih, na primjer faktor rasta nerava (NGF), stimulira aktivnost tirozin-protein kinaze, koja fosforilira specifične efektorske proteine ​​na određenim ostacima tirozina. Većina receptora faktora rasta dimerizira se kada se NGF veže za njih. Upravo dimerizacija receptora dovodi do pojave aktivnosti tirozin protein kinaze u njemu. Aktivirani receptori često sami sebe fosforiliraju, što se naziva autofosforilacija.

Za superporodicu peptidnih receptora koji se nazivaju insulinskim receptorima. Takođe je tirozin protein kinaza. U podklasi receptora koji pripadaju porodici inzulinskih receptora, ne-ligandski receptor postoji kao disulfidno vezan dimer. Interakcija s inzulinom dovodi do konformacijskih promjena u oba monomera, što povećava vezivanje za inzulin, aktivira receptorsku tirozin kinazu i dovodi do povećane autofosforilacije receptora.

Vezivanje hormona ili faktora rasta za njegov receptor pokreće različite ćelijske odgovore, uključujući ulazak Ca 2+ u citoplazmu, povećan metabolizam Na + /H +, stimulaciju uzimanja aminokiselina i šećera, stimulaciju fosfolipaze C β i hidrolizu fosfatidilinozitol difosfata.

Receptori hormon rasta, prolaktin I eritropoetin, kao i receptori interferon i mnogi citokini ne služe direktno kao protein kinaze. Međutim, nakon aktivacije, ovi receptori formiraju signalne komplekse sa intracelularnim tirozin protein kinazama, koje pokreću njihove intracelularne efekte. Zato oni nisu pravi receptori sa svojom aktivnošću tirozin-protein kinaze, već se jednostavno vezuju za njih.

Na osnovu strukture može se pretpostaviti da je transmembranska tirozin-protein fosfataza su također receptori, a njihova aktivnost tirozin-protein fosfataze je modulirana ekstracelularnim ligandima.

Rice. 2-13. katalitičkih receptora.

A - receptor gvaniciklaze, B - receptor sa aktivnošću serin-treonin kinaze, C - receptor sa sopstvenom aktivnošću tirozin-protein kinaze, D - receptori povezani sa aktivnošću tirozin-protein kinaze

Tirozin-protein kinaze povezane sa receptorima na primjeru interferonskih receptora

Interferonski receptori nisu direktno protein kinaze. Nakon aktivacije, ovi receptori formiraju signalne komplekse sa intracelularnim tirozin protein kinazama koje pokreću njihove intracelularne efekte. To jest, oni nisu pravi receptori sa svojom aktivnošću tirozin-protein kinaze, već se jednostavno vezuju za njih.Takvi receptori se nazivaju tirozin protein kinaze povezane sa receptorom (zavisne od receptora).

Mehanizmi kojima ovi receptori djeluju pokreću se kada se hormon veže za receptor, uzrokujući njegovu dimerizaciju. Dimer receptora vezuje jedan ili više članova Janus-porodica tirozin protein kinaza (JAK). JAK onda pređi

fosforiliraju jedni druge, kao i receptor. Članovi porodice transduktora signala i aktivatora transkripcije (STAT) vezuju fosforilirane domene na kompleksu receptor-JAK. STAT proteini su fosforilisani JAK kinazama, a zatim se odvajaju od signalnog kompleksa. Na kraju, fosforilirani STAT proteini formiraju dimere koji se kreću prema jezgri kako bi aktivirali transkripciju određenih gena.

Specifičnost receptora za svaki hormon delimično zavisi od specifičnosti članova JAK ili STAT porodice koji se kombinuju da formiraju signalni kompleks. U nekim slučajevima, signalni kompleks također aktivira kaskadu kinaze MAP (protein koji aktivira mitogen) preko adapterskih proteina koje koriste receptorske tirozin kinaze. Neki od odgovora liganda receptora tirozin kinaze također uključuju JAK i STAT puteve.

Rice. 2-14. Primjer katalitičkih receptora povezanih s aktivnošću tirozin-protein kinaze. Receptor aktivira α -interferon (A) iγ -interferon (B)

Ras-slični monomerni G proteini i njihovi posredovani transdukcioni putevi

Ligand, kao što je faktor rasta, vezuje se za receptor koji ima sopstvenu aktivnost tirozin protein kinaze, što rezultira povećanjem transkripcije u procesu od 10 koraka. Ras-slični monomerni GTP-vezujući proteini učestvuju u putu transdukcije signala u fazi prijenosa signala od receptora s vlastitom aktivnošću tirozin-protein kinaze (na primjer, receptori faktora rasta) do intracelularnih efektora. Aktivacija i inaktivacija monomernih GTP-vezujućih proteina zahtijevaju dodatne regulatorne proteine. Monomerni G proteini se aktiviraju proteinima koji oslobađaju gvanin nukleotide (GNRP) i inaktiviraju se proteinima koji aktiviraju GTPazu (GAP).

Monomerni GTP-vezujući proteini iz porodice Ras posreduju u vezivanju mitogenih liganada i njihovih receptora tirozin-protein kinaze, što pokreće intracelularne procese koji dovode do proliferacije ćelija. Kada su Ras proteini neaktivni, ćelije ne reaguju na faktore rasta koji deluju preko receptora tirozin kinaze.

Ras aktivacija pokreće put transdukcije signala koji na kraju dovodi do transkripcije određenih gena koji pospješuju rast stanica. Kaskada MAP kinaze (MAPK) je uključena u odgovore kada je Ras aktiviran. Protein kinaza C takođe aktivira kaskadu MAP kinaze. Dakle, kaskada MAP kinaze je važna tačka konvergenciju za niz efekata koji uzrokuju proliferaciju ćelija. Štaviše, postoji ukrštanje između protein kinaze C i tirozin kinaze. Na primjer, γ izoforma fosfolipaze C se aktivira vezivanjem za aktivirani Ras protein. Ova aktivacija se prenosi na protein kinazu C tokom stimulacije hidrolize fosfolipida.

Slika 2-15 prikazuje mehanizam sa 10 koraka.

1. Vezivanje liganda dovodi do dimerizacije receptora.

2. Aktivirana tirozin protein kinaza (RTK) se sama fosforiliše.

3.GRB 2 (protein vezan na receptor faktora rasta), protein koji sadrži SH 2, prepoznaje ostatke fosfotirozina na aktiviranom receptoru.

4.GRB 2 uvez uključuje SOS (sin sedmoro djece) izmjenjivati ​​protein gvanin nukleotid.

5.SOS aktivira Ras, formirajući GTP umesto GDP na Rasu.

6. Ras-GTP aktivni kompleks aktivira druge proteine fizička inkluzija ih u plazma membranu. Ras-GTP aktivni kompleks stupa u interakciju s N-terminalnim dijelom Raf-1 serin-treonin kinaze (poznate kao protein koji aktivira mitogen, MAP), prve u nizu aktiviranih protein kinaza koje prenose aktivacijski signal do ćelijsko jezgro.

7. Raf-1 fosforilira i aktivira protein kinazu pod nazivom MEK, koja je poznata kao MAP kinaza kinaza (MAPKK). MEK je multifunkcionalna protein kinaza koja fosforilira supstrate ostataka tirozina i serina/treonina.

8.MEK fosforiliše MAP kinazu (MAPK), koja je takođe uzrokovana ekstracelularnim signalom - regulatornom kinazom (ERK 1, ERK 2). MAPK aktivacija zahtijeva dvostruku fosforilaciju na susjednim ostacima serina i tirozina.

9. MAPK služi kao kritični efektorski molekul u Ras-ovisnoj transdukciji signala jer fosforilira mnoge ćelijske proteine ​​nakon mitogene stimulacije.

10. Aktivirani MAPK se prenosi u nukleus, gdje fosforiliše transkripcijski faktor. U principu, aktiviran Ras aktivira MAP

povezivanjem na njega. Ova kaskada rezultira fosforilacijom i aktivacijom MAP kinaze, koja zauzvrat fosforiliše transkripcione faktore, proteinske supstrate i druge protein kinaze važne za diobu ćelija i druge odgovore. Ras aktivacija zavisi od vezivanja adapterskih proteina za domene fosfotirozina na receptorima aktiviranim faktorom rasta. Ovi adapterski proteini se vežu i aktiviraju GNRF (protein za izmjenu nukleotida gvanina), koji aktivira Ras.

Rice. 2-15. Regulacija transkripcije monomernim G-proteinima sličnim Rasu pokrenutim od receptora s vlastitom aktivnošću tirozin-protein kinaze

Regulacija transkripcije cAMP-ovisnim DNK elementom koji interaguje proteinom (CREB)

CREB, široko rasprostranjen faktor transkripcije, obično je povezan s regijom DNK koja se zove CRE (cAMP element odgovora). U nedostatku stimulacije, CREB je defosforiliran i ne utiče na transkripciju. Brojni putevi transdukcije signala putem aktivacije kinaza (kao što su PKA, Ca 2+ /kalmodulin kinaza IV, MAP kinaza) rezultiraju fosforilacijom CREB-a. Fosforilovani CREB se vezuje CBP(CREB-vezujući protein- CREB-vezujući protein), koji ima domen koji stimuliše transkripciju. Paralelno, fosforilacija aktivira PP1

(fosfoprotein fosfataza 1), koja defosforilira CREB, što rezultira zaustavljanjem transkripcije.

Pokazalo se da je aktivacija CREB-posredovanog mehanizma važna za implementaciju tako viših kognitivnih funkcija kao što su učenje i pamćenje.

Slika 2-15 takođe pokazuje strukturu cAMP zavisne PKA, koja se u odsustvu cAMP sastoji od četiri podjedinice: dve regulatorne i dve katalitičke. Prisustvo regulatornih podjedinica inhibira enzimsku aktivnost kompleksa. Vezivanje cAMP izaziva konformacionu promjenu u regulatornim podjedinicama, što rezultira odvajanjem regulatornih podjedinica od katalitičkih. Katalitički PKA ulazi u ćelijsko jezgro i započinje gore navedeni proces.

Rice. 2-16. Regulacija transkripcije gena od strane CREB-a (cAMP odgovor elementa koji vezuje protein) kroz povećanje nivoa cikličkog adenozin monofosfata