Hormoni. Što je to?

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

Ciklički AMP

Uloga iona kalcija

Glavni predstavnici hidrofilnih hormona

Histamin

Serotonin

Melatonin

kateholaminski hormoni

Peptidni i proteinski hormoni

Thyrotropin

Inzulin

Glukagon

Gastrin

Zaključak

Bibliografija

Hormoni. Što je to?

Hormoni su signalne tvari koje se proizvode u stanicama endokrinih žlijezda. Nakon sinteze, hormoni ulaze u krvotok i prenose se u ciljne organe, gdje obavljaju određene biokemijske i fiziološke regulatorne funkcije.

Svaki hormon je središnja karika u složenom sustavu hormonalne regulacije. Hormoni se sintetiziraju u obliku prekursora, prohormona, a često se talože u specijaliziranim stanicama endokrinih žlijezda. Odavde ulaze u krvotok kao metabolički neophodni. Većina hormona transportira se u obliku kompleksa s proteinima plazme, tzv. transporteri hormona, a vezanje na transportere je reverzibilno. Hormone razgrađuju odgovarajući enzimi, obično u jetri. Konačno, hormoni i proizvodi njihove razgradnje izlučuju se iz tijela putem sustava za izlučivanje, obično putem bubrega. Svi ovi procesi utječu na koncentraciju hormona i kontrolnu signalizaciju.

U ciljnim organima nalaze se stanice koje nose receptore koji mogu vezati hormone i na taj način percipirati hormonski signal. Nakon vezanja hormona, receptori prenose informaciju u stanicu i pokreću lanac biokemijskih reakcija koje određuju stanični odgovor na djelovanje hormona.

Hormoni se u tijelu koriste za održavanje homeostaze, kao i za regulaciju mnogih funkcija (rast, razvoj, metabolizam, odgovor na promjene u okolišnim uvjetima).

Nomenklatura i klasifikacija hormona

Kemijska priroda gotovo svih poznatih hormona je detaljno razjašnjena (uključujući primarnu strukturu proteinskih i peptidnih hormona), ali do sada nisu razvijena opća načela za njihovu nomenklaturu. Kemijski nazivi mnogih hormona točno odražavaju njihovu kemijsku strukturu i vrlo su glomazni. Stoga se češće koriste trivijalni nazivi hormona. Prihvaćena nomenklatura označava izvor hormona (na primjer, inzulin - od latinskog insula - otočić) ili odražava njegovu funkciju (na primjer, prolaktin, vazopresin). Za neke hormone hipofize (na primjer luteinizirajuće i folikulostimulirajuće), kao i za sve hormone hipotalamusa, razvijeni su novi radni nazivi.

Slična je situacija i s klasifikacijom hormona. Hormoni se klasificiraju ovisno o mjestu njihove prirodne sinteze, prema čemu se razlikuju hormoni hipotalamusa, hipofize, štitnjače, nadbubrežne žlijezde, gušterače, spolnih žlijezda, guše i dr. Međutim, takvi anatomska klasifikacija nije dovoljno savršeno, jer su neki hormoni ili sintetizirani u krivim žlijezdama unutarnje izlučivanje, iz koje se izlučuju u krv (npr. hormoni stražnjeg režnja hipofize, vazopresura i oksitocin sintetiziraju se u hipotalamusu, odakle se prenose u stražnji režanj hipofize), ili se sintetiziraju u drugim žlijezdama (npr. djelomična sinteza spolnih hormona odvija se u korteksu nadbubrežne žlijezde, sinteza prostaglandina događa se ne samo u prostati, već iu drugim organima), itd. S obzirom na te okolnosti, pokušalo se stvoriti modernu klasifikaciju hormona na temelju njihove kemijske prirode. U skladu s ovom klasifikacijom razlikuju se tri skupine pravih hormona:

) peptidni i proteinski hormoni,

) hormoni - derivati ​​aminokiselina i 3) hormoni steroidne prirode. Četvrtu skupinu čine eikozanoidi – tvari slične hormonima koje djeluju lokalno.

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, tireotropin i dr. - vidi dolje), kao i hormoni gušterače (inzulin, glukagon). Hormoni - derivati ​​aminokiselina uglavnom su predstavljeni derivatima aminokiseline tirozina. To su niskomolekularni spojevi adrenalin i norepinefrin, sintetizirani u srži nadbubrežne žlijezde, te hormoni štitnjače (tiroksin i njegovi derivati). Hormoni 1. i 2. skupine vrlo su topljivi u vodi.

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

Eikozanoidi, koji su derivati ​​višestruko nezasićene masne kiseline (arahidonske), predstavljeni su s tri podklase spojeva: prostaglandini, tromboksani i leukotrieni. Ovi u vodi netopljivi i nestabilni spojevi ostvaruju svoje učinke na stanice blizu mjesta njihove sinteze.

Principi prijenosa hormonskog signala do ciljnih stanica

Postoje dvije glavne vrste prijenosa hormonskog signala do ciljnih stanica. Lipofilni hormoni ulaze u stanicu, a zatim ulaze u jezgru. Hidrofilni hormoni djeluju na razini stanične membrane.

hidrofilni hormon hormonal signal

Lipofilni hormoni, koji uključuju steroidne hormone, tiroksin i retinoičnu kiselinu, slobodno prodiru kroz plazma membranu u stanicu, gdje stupaju u interakciju s visoko specifičnim receptorima. Kompleks hormon-receptor u obliku dimera veže se za kromatin u jezgri i inicira transkripciju određenih gena. Pojačanje ili suzbijanje sinteze mRNA (mRNA) povlači za sobom promjenu koncentracije specifičnih proteina (enzima) koji određuju odgovor stanice na hormonalni signal.

Hormoni koji su derivati ​​aminokiselina, kao i peptidni i proteinski hormoni, čine skupinu hidrofilnih signalnih tvari. Te se tvari vežu na specifične receptore na vanjskoj površini plazma membrane. Vezanje hormona prenosi signal na unutarnju površinu membrane i time pokreće sintezu sekundarnih glasnika (posrednika). Intermedijarne molekule potenciraju stanični odgovor na djelovanje hormona.

hidrofilni hormoni

Definicija.

Hidrofilni hormoni i tvari slične hormonima izgrađeni su od aminokiselina, poput proteina i peptida, ili su derivati ​​aminokiselina. U velikim količinama talože se u stanicama endokrinih žlijezda i po potrebi ulaze u krv. Većina tih tvari prenosi se krvotokom bez sudjelovanja prijenosnika. Hidrofilni hormoni djeluju na ciljne stanice tako da se vežu za receptor na plazma membrani.

Metabolizam peptidnih hormona

Biosinteza.

Za razliku od steroida, peptidni i proteinski hormoni primarni su produkti biosinteze. Odgovarajuća informacija očitava se iz DNA (DNA) u fazi transkripcije, a sintetizirana hnRNA (hnRNA) oslobađa se iz introna zbog spajanja (1). mRNA (mRNA) kodira peptidnu sekvencu, koja najčešće znatno premašuje zreli hormon u molekularnoj težini. Izvorni lanac aminokiselina uključuje signalni peptid i propeptid prekursora hormona. Translacija mRNA odvija se na ribosomima na uobičajeni način (2). Prvo se sintetizira signalni peptid. Njegova je funkcija vezati ribosome na hrapavi endoplazmatski retikulum [RER (rER)] i voditi rastući peptidni lanac u lumen RER (3). Sintetizirani proizvod je prekursor hormona, prohormon. Sazrijevanje hormona događa se kroz ograničenu proteolizu i naknadnu (post-translacijsku) modifikaciju, kao što je stvaranje disulfidnog mosta, glikozilacija i fosforilacija (4). Zreli hormon se taloži u stanične vezikule, odakle se izlučuje prema potrebi zbog egzocitoze.

Biosinteza peptidnih i proteinskih hormona i njihovo izlučivanje pod kontrolom su hijerarhijskog sustava hormonalne regulacije. U ovom sustavu ioni kalcija sudjeluju kao sekundarni glasnici; povećanje koncentracije kalcija potiče sintezu i lučenje hormona.

Analiza hormonskih gena pokazuje da su ponekad mnogi potpuno različiti peptidi i proteini kodirani istim genom. Jedan od najviše proučavanih je gen za proopiomelanokortin [POMC (POMC)]. Uz nukleotidnu sekvencu koja odgovara kortikotropinu [adrenokortikotropni hormon, ACTH (ACTH)], ovaj gen uključuje preklapajuće sekvence koje kodiraju niz malih peptidnih hormona, naime α-, β- i γ-melanotropina [MSH (MSH)], β- i γ - lipotropini (LPG (LPH)], β-endorfin i met-enkefalin. Potonji hormon se također može formirati iz β-endorfina. Prohormon za ovu obitelj je takozvani poliprotein. Signal o tome koji bi peptid trebao biti dobiven i izlučen dolazi iz regulacijskog sustava nakon što je završena sinteza prepropeptida. Najvažniji izlučeni produkt izveden iz hipofiznog poliproteina kodiranog genom POMC je hormon kortikotropin (ACTH), koji stimulira izlučivanje kortizola od strane kore nadbubrežne žlijezde. Biološki funkcije drugih peptida nisu u potpunosti shvaćene.

Inaktivacija i degradacija

Razgradnja peptidnih hormona često počinje već u krvi ili na stijenkama krvnih žila, a taj je proces posebno 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, naime egzo-(2) (na krajevima lanca) i endopeptidaze. (3). Proteoliza rezultira stvaranjem mnogih fragmenata, od kojih neki mogu biti biološki aktivni. Mnogi proteinsko-peptidni hormoni uklanjaju se iz cirkulacijskog sustava vezanjem na membranski receptor i naknadnom endocitozom kompleksa hormon-receptor. Razgradnja takvih kompleksa odvija se u lizosomima, a krajnji proizvod razgradnje su aminokiseline, koje se opet koriste kao supstrati u anaboličkim i kataboličkim procesima.

Lipofilni i hidrofilni hormoni imaju različito vrijeme poluraspada u cirkulacijskom sustavu (točnije biokemijsko vrijeme poluraspada, t1/2). U usporedbi s hidrofilnim hormonima (t1/2 od nekoliko minuta ili sati), lipofilni hormoni žive znatno duže (t1/2 od nekoliko sati ili dana). Biokemijski poluživot hormona ovisi o aktivnosti sustava razgradnje. Izlaganje sustava degradaciji lijekovima ili oštećenjem tkiva može uzrokovati promjenu stope razgradnje, a time i koncentracije hormona.

Mehanizam djelovanja hidrofilnih hormona

Većina hidrofilnih signalnih tvari ne može proći kroz lipofilnu staničnu membranu. Stoga se prijenos signala u stanicu provodi preko membranskih receptora (provodnika signala). Receptori su integralni membranski proteini koji vežu signalne tvari na vanjskoj strani membrane i promjenom prostorne strukture generiraju novi signal na unutarnjoj strani membrane. Ovaj signal određuje transkripciju određenih gena i aktivnost enzima koji kontroliraju metabolizam i djeluju na citoskelet.

Postoje tri vrste receptora.

Receptori prvog tipa su proteini koji imaju jedan transmembranski polipeptidni lanac. To su alosterički enzimi čije se aktivno središte nalazi na unutarnjoj strani membrane. Mnogi od njih su tirozin protein kinaze. Ovoj vrsti pripadaju receptori za inzulin, faktore rasta i citokine.

Vezanje signalne tvari dovodi do dimerizacije receptora. U tom slučaju dolazi do aktivacije enzima i fosforilacije ostataka tirozina u nizu proteina. Najprije se fosforilira molekula receptora (autofosforilacija). Fosfotirozin veže SH2 domenu proteina nositelja signala, čija je funkcija prijenos signala unutarstaničnim protein kinazama.

ionski kanali. Ovi receptori tipa II su oligomerni membranski proteini koji tvore ionski kanal aktiviran ligandom. Vezanje liganda dovodi do otvaranja kanala za ione Na+, K+ ili Cl-. Prema tom mehanizmu odvija se djelovanje neurotransmitera, poput acetilkolina (nikotinski receptori: Na + - i K + kanali) i γ-aminomaslačne kiseline (A receptor: Cl - kanal).

Receptori trećeg tipa povezani s GTP-vezujućim proteinima. Polipeptidni lanac ovih proteina uključuje sedam transmembranskih niti. Takvi receptori signaliziraju preko GTP-vezujućih proteina efektorskim proteinima, koji su povezani enzimi ili ionski kanali. Funkcija ovih proteina je promjena koncentracije iona ili sekundarnih glasnika.

Dakle, vezanje signalne tvari na membranski receptor uključuje jednu od tri varijante unutarstaničnog odgovora: receptorske tirozin kinaze aktiviraju unutarstanične protein kinaze, aktivacija ionskih kanala aktiviranih ligandom dovodi do promjene koncentracije iona, a aktivacija receptori povezani s GTP-vezujućim proteinima inducira sintezu tvari posrednika, sekundarnih glasnika. Sva tri sustava prijenosa signala međusobno su povezana. Na primjer, stvaranje drugog glasnika cAMP (cAMP) dovodi do aktivacije protein kinaza 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+ iona u staničnoj citoplazmi.

Transdukcija signala putem G proteina. G proteini su obitelj proteina koji pripadaju GTPazama i funkcioniraju kao sekundarni glasnici u unutarstaničnim signalnim kaskadama. G-proteini su tako nazvani jer u svom signalnom mehanizmu koriste zamjenu GDP-a GTP-om kao molekularnim funkcionalnim "prekidačem" za regulaciju staničnih procesa.Proteini prenose signal od trećeg tipa receptora do efektorskih proteina. Građeni su od tri podjedinice: α, β i γ. α-podjedinica ima sposobnost vezanja guanin nukleotida [GTP (GTP) ili GDP (GDP)]. Protein pokazuje slabu aktivnost GTPaze i sličan je drugim proteinima koji vežu GTP kao što su ras i faktor elongacije Tu (EF-Tu). U neaktivnom stanju, G-protein je povezan s BDP-om.

Kada se signalna tvar veže na receptor tipa 3, konformacija potonjeg se mijenja na takav način da kompleks stječe sposobnost vezanja G proteina. Povezivanje G-proteina s receptorom dovodi do razmjene GDP-a za GTP (1). U tom slučaju aktivira se G-protein, odvaja se od receptora i disocira na α-podjedinicu i β,γ-kompleks. Podjedinica ΓΤΦ-α veže se na efektorske proteine ​​i mijenja njihovu aktivnost, što rezultira otvaranjem ili zatvaranjem ionskih kanala, aktivacijom ili inhibicijom enzima (2). Polagana hidroliza vezanog GTP-a u GDP pretvara α-podjedinicu u neaktivno stanje i ponovno se povezuje s β,γ-kompleksom, tj. G-protein se vraća u prvobitno stanje.

Drugi glasnici

Drugi glasnici ili glasnici su unutarstanične tvari čiju koncentraciju strogo kontroliraju hormoni, neurotransmiteri i drugi izvanstanični signali. Takve tvari nastaju iz dostupnih supstrata i imaju kratko biokemijsko vrijeme poluraspada. Najvažniji drugi glasnici su cAMP (cAMP), cGTP (cGTP), Ca2+, inozitol-1,4,5-trifosfat [IP3 (lnsP3)], diacilglicerol [DAG (DAG)] i dušikov monoksid (NO).

Ciklički AMP

Biosinteza. Nukleotid cAMP (3,5"-cikloadenozin monofosfat, cAMP) sintetiziraju membranske adenilat ciklaze, obitelj enzima koji kataliziraju reakciju ciklizacije ATP (ATP) s stvaranjem cAMP i anorganskog pirofosfata. Razgradnju cAMP-a u AMP (AMP) kataliziraju fosfodiesteraze, koje su inhibirane visokim koncentracijama metiliranih derivata ksantina, poput kofeina.

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

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

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

Uloga iona kalcija

Razina kalcijevih iona. Koncentracija iona Ca2+ u citoplazmi nestimulirane stanice vrlo je niska (10-100 nM). Nisku razinu održavaju kalcijeve ATPaze (kalcijeve pumpe) i natrij-kalcijevi izmjenjivači. Nagli porast koncentracije iona Ca2+ u citoplazmi (do 500-1000 nM) nastaje kao posljedica otvaranja kalcijevih kanala u plazma membrani ili unutarstaničnih depoa kalcija (glatki i hrapavi endoplazmatski retikulum). Otvaranje kanala može biti uzrokovano depolarizacijom membrane ili djelovanjem signalnih tvari, neurotransmitera (glutamat i ATP, vidi str. 342), sekundarnih glasnika (IP3 i cAMP), kao i tvari biljnog podrijetla ryanodina. U citoplazmi i staničnim organelama postoji mnogo proteina koji mogu vezati Ca2+, od kojih neki djeluju kao pufer.

U visokoj koncentraciji u citoplazmi ioni Ca2+ imaju citotoksični učinak na stanicu. Stoga razina kalcija u pojedinoj stanici doživljava kratkotrajne nalete, povećavajući se 5-10 puta, a stimulacija stanice samo povećava učestalost tih fluktuacija.

Djelovanje kalcija posredovano je posebnim Ca2+-veznim proteinima ("kalcijevim senzorima"), koji uključuju aneksin, kalmodulin i troponin (vidi str. 326). Kalmodulin je relativno mali protein (17 kDa) prisutan u svim životinjskim stanicama. Kada se četiri iona Ca2+ vežu (plavi kružići na dijagramu), kalmodulin prelazi u aktivni oblik sposoban za interakciju s brojnim proteinima. Zbog aktivacije kalmodulina ioni Ca2+ utječu na aktivnost enzima, ionskih pumpi i komponenti citoskeleta.

Inozitol-1,4,5-trifosfat i diacilglicerol

Hidroliza fosfatidilinozitol-4,5-difosfata [FIF2 (PlnsP2)] pomoću fosfolipaze C dovodi do stvaranja dvaju sekundarnih glasnika: inozitol-1,4,5-trifosfata i diacilglicerola. Hidrofilni IP3 ulazi u endoplazmatski retikulum [ER (ER)] i inducira otpuštanje iona Ca2+ iz vezikula za pohranu. Lipofilni DAG ostaje u membrani i aktivira protein kinazu C, koja u prisutnosti Ca2+ fosforilira različite proteinske supstrate, modulirajući njihovu funkcionalnu aktivnost.

Glavni predstavnici hidrofilnih hormona

Derivati ​​aminokiselina.

Naravno, najveće skupine 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, medijator koji regulira vitalne funkcije organizma i ima značajnu ulogu u patogenezi niza bolesnih stanja.

Ovaj hormon se taloži u mastocite i bazofile u obliku kompleksa s heparinom, slobodni histamin se brzo deaktivira oksidacijom kataliziranom diamin oksidazom, ili metilira histamin-N-metiltransferazom. Konačni metaboliti histamina – imidazoliloctena kiselina i N-metilhistamin izlučuju se mokraćom.

Histamin u ljudskom tijelu je u neaktivnom stanju. Uz ozljede, stres, alergijske reakcije, količina slobodnog histamina značajno se povećava. Količina histamina također se povećava kada u tijelo uđu razni otrovi, određena hrana i neki lijekovi.

Slobodni histamin uzrokuje spazam glatke muskulature (uključujući mišiće bronha i krvnih žila), širenje kapilara i sniženje krvnog tlaka, stagnaciju krvi u kapilarama i povećanje propusnosti njihovih stijenki, uzrokuje oticanje okolnog tkiva. tkiva i zgušnjavanje krvi, potiče oslobađanje adrenalina i ubrzani rad srca.

Histamin svoje djelovanje ostvaruje preko specifičnih staničnih histaminskih receptora. Trenutno postoje tri skupine histaminskih receptora, koji su označeni kao H1, H2 i H3.

Histamin ima značajnu ulogu u fiziologiji probave. U želucu histamin izlučuju stanice sluznice slične enterokromafinu (ECL-). Histamin stimulira stvaranje klorovodične kiseline djelovanjem na H2 receptore na parijetalnim stanicama želučane sluznice. Razvijen je i aktivno korišten u liječenju bolesti ovisnih o kiselosti (čir na želucu i dvanaesniku, GERD, itd.) niz lijekova koji se nazivaju H2-blokatori histaminskih receptora, koji blokiraju učinak histamina na parijetalne stanice, čime se smanjuje izlučivanje klorovodične kiseline. kiseline u lumen želuca.

Serotonin

Serotonin(5-hidroksitriptamin, 5-HT) otkriven je tijekom potrage za vazokonstriktorom pronađenim u krvi. Ubrzo je poistovjećen s enteraminom koji je ranije otkrio Erspamer u crijevima i dešifrirana mu je kemijska struktura, što se pokazalo vrlo jednostavnim.

Oko 90% serotonina nalazi se u crijevima, a gotovo isključivo u enterokromafinim stanicama. Također se nalazi u slezeni, jetri, bubrezima, plućima i u raznim endokrinim žlijezdama.

Serotonina ima i u glavnom mozgu (relativno mnogo u hipotalamusu i srednjem mozgu, manje u talamusu, hippolitu, uopće nije pronađen u Corpus callosum i malom mozgu), te u leđnoj moždini.

Serotonin se formira iz aminokiseline triptofana njegovom sekvencijalnom 5-hidroksilacijom pomoću enzima 5-triptofan hidroksilaze (što rezultira 5-hidroksitriptofanom, 5-HT), a zatim dekarboksilacijom rezultirajućeg hidroksitriptofana pomoću enzima triptofan dekarboksilaze. 5-triptofan hidroksilaza je sintetiziran samo u somi serotonergičkih neurona, hidroksilacija se događa u prisutnosti iona željeza i kofaktora pteridina.

Serotonin ima 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. Stimulirajući specifične serotoninske receptore u jetri, serotonin uzrokuje 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 alergije i upale. Povećava vaskularnu propusnost, pospješuje kemotaksu i migraciju leukocita na mjesto upale, povećava sadržaj eozinofila u krvi, pospješuje degranulaciju mastocita i otpuštanje drugih medijatora alergije i upale. Lokalna (npr. intramuskularna) primjena egzogenog serotonina uzrokuje jaku bol na mjestu ubrizgavanja. Pretpostavlja se da serotonin, uz histamin i prostaglandine, iritirajući receptore u tkivima, ima ulogu u nastanku bolnih impulsa s mjesta ozljede ili upale.

Također, velika količina serotonina se proizvodi u crijevima. Serotonin ima važnu ulogu u regulaciji motiliteta i sekrecije u gastrointestinalnom traktu, pospješujući njegovu peristaltiku i sekretornu aktivnost. Osim toga, serotonin igra ulogu čimbenika rasta za neke vrste simbiotskih mikroorganizama, pospješuje bakterijski metabolizam u debelom crijevu. I same bakterije debelog crijeva donekle pridonose izlučivanju serotonina u crijevima, jer mnoge simbiotske bakterije imaju sposobnost dekarboksilacije triptofana. S disbakteriozom i nizom drugih bolesti debelog crijeva, proizvodnja serotonina u crijevima značajno je smanjena.

Masovno otpuštanje serotonina iz umirućih stanica želučane i crijevne sluznice pod utjecajem citotoksičnih kemoterapijskih lijekova jedan je od uzroka mučnine i povraćanja, proljeva tijekom kemoterapije malignih tumora. Slično se stanje javlja kod nekih malignih tumora koji ektopično proizvode serotonin.

U maternici je također zabilježen visok sadržaj serotonina. Serotonin ima ulogu u parakrinoj regulaciji kontraktilnosti maternice i jajovoda te u koordinaciji porođaja. Proizvodnja serotonina u miometriju povećava se nekoliko sati ili dana prije poroda i još se više povećava izravno tijekom poroda. Također, serotonin je uključen u proces ovulacije - sadržaj serotonina (i niza drugih biološki aktivnih tvari) u folikularnoj tekućini povećava se neposredno prije pucanja folikula, što, očito, dovodi do povećanja intrafolikularnog tlaka.

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

Nedostatak ili inhibicija serotonergičkog prijenosa, primjerice, uzrokovana smanjenjem razine serotonina u mozgu, jedan je od čimbenika nastanka depresivnih stanja i težih oblika migrene.

Hiperaktivacija serotoninskih receptora (na primjer, pri uzimanju određenih lijekova) može dovesti do halucinacija. Razvoj shizofrenije može biti povezan s kronično povišenom razinom njihove aktivnosti.

Melatonin

Godine 1958., na Sveučilištu Yale, Lerner i suradnici, iz 250 000 goveđih pinealnih žlijezda, prvi su put izolirali hormon epifize u svom čistom obliku, koji je identificiran kao 5-metoksi-N-acetil-triptalin ( melatonin).

Promjene u koncentraciji melatonina imaju zamjetan dnevni ritam u epifizi i krvi, obično s visoka razina hormon tijekom noći i niska razina tijekom dana.

Sinteza melatonina sastoji se u činjenici da aminokiselinu triptofan koja cirkulira u krvi apsorbiraju stanice epifize, oksidiraju u 5-hidroksitriptofan i zatim dekarboksiliraju u oblik biogenog amina - serotonina (sinteza serotonina). Većina serotonina metabolizira se u epifizi uz pomoć monoaminooksidaze koja uništava serotonin u drugim organima. Manji dio serotonina acetilira se u pinealnoj žlijezdi u N-acetil serotonin, a ta se tvar 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 pinealna žlijezda gotovo jedina tvorevina u kojoj je pronađen ovaj jedinstveni enzim.

Za razliku od serotonina koji se stvara kako u središnjem živčanom sustavu tako i u raznim perifernim organima i tkivima, izvor melatonina je u biti jedan organ – epifiza.

Melatonin regulira rad endokrinog sustava, krvni tlak, učestalost spavanja, sezonski ritam kod mnogih životinja, usporava proces starenja, pojačava učinkovitost imunološkog sustava, ima antioksidativna svojstva, utječe na procese prilagodbe pri promjeni 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 pinealnoj žlijezdi sisavaca varira na određene načine tijekom 24 sata.

U uvjetima normalnog osvjetljenja, razine serotonina su najviše tijekom dana. S početkom mraka, sadržaj serotonina u pinealnoj žlijezdi brzo opada (maksimum je 8 sati nakon početka dnevnog svjetla, minimum je 4 sata nakon mraka).

kateholaminski hormoni

Adrenalin Hormon sintetiziran u srži nadbubrežne žlijezde. Njegovo postojanje poznato je više od jednog stoljeća. Godine 1901. Takamine, Aldrich i I. Fürth izolirali su adrenalin iz ekstrakta nadbubrežnih žlijezda u kristalnom stanju. Dvije godine kasnije F. Stolz je sintezom dao konačni dokaz njegove strukture. Pokazalo 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 njih je lijevorotatorno hormonsko djelovanje 15 puta aktivnije od desnorotatornog. 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 također se nalaze u ljudskoj krvi. Njihov sadržaj u venskoj krvi iznosi 0,04 odnosno 0,2 µg%. Pretpostavlja se da se epinefrin i norepinefrin u obliku soli s ATP-om talože u malim količinama u završecima živčanih vlakana, oslobađajući se kao odgovor na njihovu iritaciju. Kao rezultat toga, uspostavlja se kemijski kontakt između završetka živčanog vlakna i stanice ili između dva neurona.

Sve tri tvari - adrenalin, norepinefrin i izopropiradrenalin - imaju snažan učinak na vaskularni sustav 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).

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

Hormoni simpatično-nadbubrežnog sustava, iako nisu vitalni, njihova je uloga u tijelu iznimno velika: osiguravaju prilagodbu na akutni i kronični stres. Adrenalin, noradrenalin i domafin glavni su elementi reakcije "bori se ili bježi" (javlja se npr. pri neočekivanom susretu s medvjedom u grmu borovnice). Odgovor na strah koji se u isto vrijeme doživljava uključuje brzo integrirano restrukturiranje mnogih složenih procesa u organima koji su izravno uključeni u ovu reakciju (mozak, mišići, kardiopulmonalni sustav i jetra). Adrenalin u ovom "odgovoru":

) brzo opskrbljuje masne kiseline, koje djeluju kao glavno primarno gorivo za mišićnu aktivnost;

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

) smanjuje oslobađanje inzulina, što također sprječava apsorpciju glukoze od strane perifernih tkiva, štedeći je kao rezultat za središnji živčani sustav.

Živčana stimulacija srži nadbubrežne žlijezde dovodi do spajanja kromafinskih granula s plazma membrana, i tako uzrokuje otpuštanje norepinefrina i adrenalina egzocitozom. Ovaj proces je ovisan o kalciju i, poput drugih egzocitotskih procesa, stimuliran je kolinergičkim i β-adrenergičkim agensima, a inhibiran α-adrenergičkim agensima. Kateholamini i ATP se oslobađaju u istom omjeru u kojem su prisutni u granulama. Ovo se također odnosi na druge komponente, uključujući DBH, kalcij i kromogranin A.

Ponovna pohrana kateholamina u neuronima važan je mehanizam koji s jedne strane osigurava očuvanje hormona, as druge strane brzi prestanak hormonske ili neurotransmiterske aktivnosti. Za razliku od simpatičkih živaca, srži nadbubrežne žlijezde nedostaje mehanizam za ponovnu pohranu 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 do udaljenih tkiva. Kateholamini cirkuliraju u plazmi u slabo povezanom obliku s albuminom. Vrlo su kratkotrajni: njihov biološki poluživot je 10 - 30 sekundi.

Mehanizam djelovanja kateholamina privlači pozornost istraživača gotovo cijelo stoljeće. Doista, mnogi opći koncepti biologije receptora i djelovanja hormona potječu iz velikog broja studija.

Kateholamini djeluju kroz dvije glavne klase receptora: α-adrenergičke i β-adrenergičke. Svaki od njih je podijeljen u dvije podklase: redom α 1 i α 2 , β 1 i β 2 . Ova se klasifikacija temelji na relativnom redoslijedu vezanja na različite agoniste i antagoniste. Adrenalin veže (i aktivira) i α- i β-receptore, pa stoga njegov učinak na tkivo koje sadrži receptore obje klase ovisi o relativnom afinitetu tih receptora za hormon. Norepinefrin se u fiziološkim koncentracijama veže uglavnom na α-receptore.

Feokromocitomi su tumori srži 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 feokromocitoma, odnos norepinefrin/adrenalin često je povišen. Možda to objašnjava razlike u kliničkim manifestacijama, jer se noradrenalinu pripisuje glavna uloga u patogenezi hipertenzije, a adrenalinu se smatra odgovornim za hipermetabolizam.

Peptidni i proteinski hormoni

Sada je poznato nekoliko desetaka prirodnih peptidnih hormona, a njihov se popis postupno nadopunjuje.

Zahvaljujući širokoj upotrebi metoda brzog razvoja kemije proteina posljednjih godina, dobiven je niz peptidnih hormona u homogenom stanju, proučavan je njihov aminokiselinski sastav, primarni (au slučaju proteinskih hormona, sekundarni). , tercijarne i kvartarne) strukture su identificirane, a neke od njih su pripravljene sintetski. Štoviše, veliki napredak u području kemijske sinteze peptida omogućio je umjetno dobivanje mnogih peptida koji su izomeri ili analozi prirodnih peptida. Proučavanje hormonske aktivnosti potonjih donijelo je iznimno važne informacije o odnosu strukture peptidnih hormona i njihove funkcije.

Najvažniji peptidni hormoni su tireotropin, inzulin, glukagon, gastrin, oksitocin, vazopresin.

Thyrotropin

Tirotropin - protein koji luči prednja hipofiza. To je glikoprotein s M = 28300, sastavljen od dvije nejednake podjedinice (M = 13600 i 14700), iznimno bogat disulfidnim mostovima (5, odnosno 6). Primarna struktura tireotropina u bikova i svinja saznajem.Uz nedostatak tireotropina (hipofunkcija hipofize) aktivnost štitnjače je oslabljena, smanjuje se u veličini, a sadržaj hormona koji luči u krvi se smanjuje. - tiroksin - prepolovljen je.

Dakle, tireotropin stimulira aktivnost štitnjače. Zauzvrat, lučenje tireotropina regulirano je principom povratne veze hormona štitnjače. Posljedično, aktivnost dviju spomenutih endokrinih žlijezda je fino usklađena.

Uvođenje tireotropina 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 štitnjaču, povećava se oksidacija glukoze, aktivira se metabolizam fosfolipida i neoplazma RNA. Sada je utvrđeno da se mehanizam djelovanja tireotropina, kao i mnogih drugih peptidnih hormona, svodi na aktivaciju adenilat ciklaze, koja se nalazi u neposrednoj blizini receptorskog proteina na koji se veže tireotropin. Zbog toga se u štitnjači ubrzavaju brojni procesi, uključujući i biosintezu hormona štitnjače.

Inzulin

inzulin - protein koji se proizvodi u β-stanicama gušterače. Njegova struktura je detaljno proučena. Inzulin je bio prvi protein čiju je primarnu strukturu razjasnio F. Sanger. On je bio prvi protein dobiven kemijskom sintezom.

Po prvi put, prisutnost u žlijezdi hormona koji utječe na metabolizam ugljikohidrata primijetili su Mehring i O. Minkovsky (1889). Kasnije je L.V. Sobolev (1901.) je utvrdio da je izvor inzulina u gušterači njezin inzularni dio, u vezi s čim je 1909. ovaj hormon, još ne individualiziran, dobio naziv inzulin (od lat. insula- otok). Godine 1992. prvi su put pripremili F. Banting i G. Best aktivni lijek inzulin, a do 1926. razvijene su metode za njegovu izolaciju u visoko pročišćenom stanju, uključujući i u obliku kristalnih pripravaka koji sadrže 0,36% Zn.

Inzulin se sintetizira u beta stanicama Langerhansovih otočića normalnim mehanizmom sinteze proteina. Translacija inzulina počinje na ribosomima povezanim s endoplazmatskim retikulumom, stvaranjem preprohormona inzulina. Ovaj početni preprohormon molekularne težine 11500 cijepa se u endoplazmatskom retikulumu u proinzulin molekularne težine oko 9000. Nadalje, u Golgijevom aparatu većina se razgrađuje u inzulin koji je upakiran u sekretorne granule i peptidni fragment. Međutim, gotovo 1/6 konačnog izlučenog produkta ostaje u obliku proinzulina. Proinzulin je neaktivni oblik hormona.

Molekularna težina kristalnog inzulina je 36 000. Njegova molekula je multimer sastavljen od šest protomera i dva atoma Zn. Protomeri tvore dimere koji stupaju u interakciju s imidazolnim radikalima gis 10 B lanaca i pospješuju njihovu agregaciju u heksamer. Raspadajući se, multimer daje tri subčestice molekulske težine od 12 000 svaka. Zauzvrat, svaka subčestica se dijeli na dva jednaka dijela s M = 6000. Sve navedene modifikacije inzulina - protomer, damer i heksamer - imaju punu hormonsku aktivnost. Stoga se molekula inzulina često poistovjećuje s protomerom s punom biološkom aktivnošću (M = 6000), pogotovo jer u fiziološkim uvjetima inzulin postoji u monomernom obliku. Daljnja fragmentacija molekule inzulina (s M = 6000) u lanac A (od 21 aminokiselinskog ostatka) i lanac B (od 30 aminokiselinskih ostataka) dovodi do gubitka hormonskih svojstava.

Inzulini izolirani iz gušterače različitih životinja gotovo su identični u svojoj primarnoj strukturi. S nedovoljnom razinom biosinteze inzulina u gušterači čovjeka (normalno se sintetizira 2 mg inzulina dnevno), razvija se karakteristična bolest - dijabetes ili dijabetes melitus. To povećava glukozu u krvi (hiperglikemija) i povećava izlučivanje glukoze urinom (glukozurija). Istodobno se razvijaju različiti sekundarni fenomeni - smanjuje se sadržaj glikogena u mišićima, usporava se biosinteza peptida, proteina i masti, dolazi do poremećaja metabolizma minerala itd.

Uvođenje inzulina injekcijom ili per os (u usta) u obliku lijeka inkapsuliranog u liposome uzrokuje suprotan učinak: smanjenje glukoze u krvi, povećanje zaliha glikogena u mišićima, povećanje anaboličkih procesa, normalizaciju mineralnih metabolizam, itd. Svi gore navedeni fenomeni rezultat su promjene pod utjecajem inzulinske propusnosti za glukozu staničnih membrana, na čijoj se površini detektiraju Ca 2+ ovisni inzulinski receptori visokog i niskog afiniteta. Povećavajući stupanj prodiranja glukoze u stanicu i substanične čestice, inzulin povećava mogućnosti njezine primjene u određenim tkivima, bilo da se radi o biosintezi glikogena iz njega ili njegovoj dihotomnoj ili apotomskoj razgradnji.

Kada inzulin stupa u interakciju s receptorom stanična membrana pobuđuje se aktivnost domene protein kinaze inzulinskog receptora, što utječe na unutarstanični metabolizam ugljikohidrata, lipida i proteina. Inzulin nema tipičan mehanizam djelovanja adenilat ciklaze.

Glukagon

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

Ovo je 29-člani peptid sintetiziran u α-stanicama inzularnog dijela gušterače. Prvi spomen ovog hormona datira iz 1923. godine, kada su I. Murlin i njegovi suradnici otkrili njegovu prisutnost u inzulinskim pripravcima. Godine 1953. F. Straub je dobio glukagon u obliku homogenog kristalnog pripravka, a nešto kasnije je razjašnjena njegova primarna struktura. Potpuna sinteza glukagona izvršena je 1968. (E. Wunsch i suradnici). Prema rendgenskoj difrakcijskoj analizi (T. Blandel) molekula glukagona je pretežno u α-spiralnoj konformaciji i sklona je stvaranju oligomera.

Utvrđeno je da je primarna struktura ljudskog i životinjskog glukagona identična; jedina iznimka je pureći glukagon, koji na poziciji 28 ima serin umjesto asparagina. Značajka strukture glukagona je odsutnost disulfidnih veza i cisteina. Glukagon se formira iz svog prekursora proglukagona, koji sadrži dodatni oktapeptid (8 ostataka) na C-kraju polipeptida, koji se odcjepljuje tijekom postsintetske proteolize. Postoje dokazi da proglukagon, poput proinzulina, ima prekursor - preproglukagon (molekularne težine 9000), čija struktura još nije dešifrirana.

Po biološko djelovanje glukagon, kao i adrenalin, su hiperglikemijski čimbenici, 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 izlučivanje glukagona kontrolirana je uglavnom koncentracijom glukoze na principu povratne sprege. Ista svojstva imaju aminokiseline i slobodne masne kiseline. Na izlučivanje glukagona također utječu inzulin i inzulinu slični faktori rasta.

U mehanizmu djelovanja glukagona primarno je vezanje na specifične receptore stanične membrane, nastali receptorski kompleks glukagona aktivira adenilat ciklazu i, sukladno tome, stvaranje cAMP. Potonji, budući da je univerzalni efektor unutarstaničnih enzima, aktivira protein kinazu, koja zauzvrat fosforilira fosforilazu kinazu i glikogen sintazu. Fosforilacija prvog enzima potiče stvaranje aktivne glikogen fosforilaze i, sukladno tome, razgradnju glikogena uz stvaranje glukoza-1-fosfata, dok je fosforilacija glikogen sintaze popraćena njezinim prijelazom u neaktivni oblik i, sukladno tome, blokiranjem sinteza glikogena. Ukupni učinak glukagona je ubrzavanje razgradnje glikogena i inhibicija njegove sinteze u jetri, što dovodi do povećanja koncentracije glukoze u krvi.

Hiperglikemijski učinak glukagona nije posljedica samo razgradnje glikogena. Postoje nepobitni 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 inducirajući sintezu enzima glukoneogeneze uz sudjelovanje cAMP-a, posebice fosfoenolpiruvat karboksinaze, ključnog enzima ovog procesa. Glukagon, za razliku od adrenalina, inhibira glikolitičku razgradnju glukoze u mliječnu kiselinu, čime pridonosi hiperglikemiji. Izravno aktivira tkivnu lipazu putem cAMP-a, pružajući snažan lipolitički učinak. Postoje i razlike u fiziološkom djelovanju: za razliku od adrenalina, glukagon ne povećava krvni tlak i ne ubrzava rad srca. Valja napomenuti da je osim pankreasnog glukagona nedavno dokazano postojanje intestinalnog glukagona koji se sintetizira u cijelom probavnom traktu i ulazi u krv. Primarna struktura intestinalnog glukagona još nije točno dešifrirana, međutim, aminokiselinske sekvence identične N-terminalnom i srednjem dijelu pankreasnog glukagona, ali različite C-terminalne aminokiselinske sekvence, otkrivene su u njegovoj molekuli.

Dakle, otočići gušterače, sintetizirajući dva suprotna djelovanja hormona - inzulin i glukagon, igraju ključnu ulogu u regulaciji tvari na molekularnoj razini.

Gastrin

Gastrin Proizvode ga G-stanice lokalizirane u antralnoj sluznici želuca i, u manjoj mjeri, u sluznici dvanaesnika.

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 po veličini molekule nego bilo koji drugi gastrointestinalni hormon. Osim toga, svaki od oblika gastrina postoji u sulfoniranom i nesulfoniranom obliku (prema jednom tirozinskom ostatku). C-terminalnih 14 aminokiselina u gastrinu 34, gastrinu 17 i gastrinu 14 su identične. Gastrin 34 je prisutan u krvi u većim količinama nego gastrin 17. To je vjerojatno zbog činjenice da je njegov poluživot u plazmi (15 min) 5-7 puta duži od onog za gastrin 17. Potonji, očito, djeluje kao glavni stimulator lučenja kiseline u želucu, koje je regulirano mehanizmom negativne povratne sprege, budući da zakiseljavanje sadržaja antralnog dijela želuca smanjuje lučenje gastrina. Gastrin također stimulira želučane sekrecije. C-završetak hormona odgovoran je za biološku aktivnost, C-terminalni pentapeptid uzrokuje cijeli niz fizioloških učinaka gastrina 17, ali po jedinici mase imam samo 1/10 njegove biološke aktivnosti.

Vazopresin i okcitocin.

Oba hormona nastaju u hipotalamusu, zatim se aksoplazmatskom strujom prenose do živčanih završetaka stražnje hipofize, odakle se uz odgovarajući podražaj izlučuju u krvotok. Značenje ovog mehanizma je vjerojatno da vam omogućuje zaobilaženje krvno-moždane barijere. ADH se sintetizira uglavnom u supraoptičkoj jezgri, oksitocin - u paraventrikularnoj jezgri. Svaki od njih kreće se duž aksona u obliku povezanom sa specifičnim proteinom nosačem (neurofizin). Neurofizini I i II sintetiziraju se zajedno s oksitocinom, odnosno ADH, kao dijelovi jednog proteina (ponekad se naziva propresofizin) kodiranog jednim genom. Neurofizini I i II su osebujni proteini s molekularnom težinom od 19 000, odnosno 21 000. ADH i oksitocin izlučuju se u krvotok odvojeno, svaki sa svojim neurofizinom. U krvi nisu vezani za proteine ​​i imaju kratko vrijeme poluživota 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 u svinja i srodnih vrsta. Budući da su ADH i oksitocin vrlo slične strukture, nije iznenađujuće da dijele neke zajedničke biološke učinke. Oba peptida se uglavnom metaboliziraju u jetri, ali časno izlučivanje ADH daje značajan doprinos njegovom nestanku iz krvi.

Glavni podražaji za oslobađanje oksitocina su živčani impulsi koji se javljaju kada su bradavice nadražene. Rastezanje vagine i maternice ima sporednu ulogu. Mnoga izlaganja koja uzrokuju lučenje oksitocina rezultiraju oslobađanjem prolaktina; sugeriraju da bi fragment oksitocina mogao igrati ulogu čimbenika koji oslobađa prolaktin. Estrogen stimulira, dok progesteron inhibira proizvodnju oksitocina i neurofizina I.

Mehanizam djelovanja oksitocina nije poznat. Izaziva kontrakciju glatke muskulature maternice i stoga se koristi u farmakološkim dozama za poticanje radna aktivnost među ženama. Zanimljivo je da kod gravidnih životinja s oštećenim hipotalamo-hipofiznim sustavom nema smetnji porođajnoj aktivnosti. Najvjerojatnija fiziološka funkcija oksitocina je poticanje kontrakcija u mioepitelnim stanicama koje okružuju alveole dojke. To uzrokuje kretanje mlijeka u sustav alveolarnih kanala i rezultira njegovim izbacivanjem. Membranski receptori za oksitocin nalaze se u tkivima maternice i dojke. Njihov se broj povećava pod utjecajem estrogena, a smanjuje pod utjecajem progesterona. Početak laktacije prije poroda očito se može objasniti istodobnim povećanjem količine estrogena i padom razine progesterona neposredno prije poroda. Derivati ​​progesterona često se koriste za suzbijanje postporođajne laktacije u žena. Čini se da se oksitocin i neurofizin I također proizvode u jajnicima, gdje oksitocin može inhibirati steroidogenezu.

Kemijske skupine bitne za djelovanje oksitocina uključuju primarnu amino skupinu N-terminalnog cisteina, fenolnu skupinu tirozina, 3 karboksamidne skupine asparagina, glutamina i glicinamida, disulfidnu vezu (S-S) vezu. Uklanjanjem ili supstitucijom ovih skupina dobiveni su brojni analozi oksitocina. Na primjer, uklanjanje slobodne primarne amino skupine terminalnog ostatka semicisteina (položaj 1) dovodi do stvaranja deaminooksitocina, čija je antidiuretička aktivnost 4-5 puta veća od aktivnosti prirodnog oksitocina.

Živčani impulsi koji uzrokuju lučenje ADH rezultat su brojnih različitih stimulacijskih čimbenika. Glavni fiziološki podražaj je povećanje osmolalnosti plazme. Njegov učinak posredovan je osmoreceptorima koji se nalaze u hipotalamusu i baroreceptorima koji se nalaze u srcu i drugim dijelovima krvožilnog sustava. Hemodilucija (smanjenje osmolalnosti) ima suprotan učinak. Ostali podražaji uključuju emocionalni i fizički stres i izloženost farmakološkim agensima, uključujući acetilkolin, nikotin i morfij. U većini slučajeva, povećanje sekrecije kombinira se s povećanjem sinteze ADH i neurofizina II, budući da nema iscrpljivanja rezervi hormona. Epinefrin i sredstva koja uzrokuju ekspanziju plazme suzbijaju izlučivanje ADH; etanol ima sličan učinak.

Fiziološki najvažnije ciljne stanice za ADH u sisavaca su stanice distalnih zavojitih tubula i sabirnih kanalića bubrega. Ovi kanali prolaze kroz bubrežnu srž, gdje je gradijent osmolalnosti izvanstaničnih otopljenih tvari 4 puta veći nego u plazmi. Stanice ovih kanala su relativno nepropusne za vodu, tako da u nedostatku ADH, urin nije koncentriran 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 kanalića i hipertoničnog sadržaja intersticijalnog prostora, tako da volumen urina ostaje unutar 0,5 - 1 litre dnevno. Na sluznicama (mokraćnih) membrana epitelnih stanica ovih struktura nalaze se ADH receptori koji su povezani s adenilat ciklazom; Vjeruje se da je djelovanje ADH na bubrežne tubule posredovano cAMP-om. Opisano fiziološko djelovanje bilo je osnova za nazivanje hormona „antidiuretikom". cAMP i inhibitori fosfodiesteraze oponašaju učinke ADH. budući da učinak samog cAMP-a nije smanjen.) Ovaj mehanizam može biti djelomično odgovoran za povećanu diurezu koja je karakteristična za bolesnika s hiperkalcijemijom.

Poremećaji u lučenju ili djelovanju ADH dovode do dijabetes insipidusa, koji je karakteriziran izlučivanjem velikih količina razrijeđene mokraće. Primarni dijabetes insipidus povezan s nedostatkom ADH obično se razvija kada je hipotalamo-hipofizni trakt oštećen zbog prijeloma baze lubanje, tumora ili infekcije; međutim, može biti i nasljedno. Kod nasljednih nefrogenih dijabetes izlučivanje ADH ostaje normalno, ali ciljne stanice gube svoju sposobnost da odgovore na hormon, vjerojatno zbog oslabljene recepcije. Ova nasljedna mana razlikuje se od stečenog nefrogenog dijabetes insipidusa, koji se najčešće javlja kod terapijske primjene litija u bolesnika s manično-depresivnom psihozom. Sindrom neodgovarajućeg lučenja ADH obično je povezan s ektopičnom proizvodnjom hormona razni tumori(obično tumori pluća), ali se može pojaviti i kod bolesti mozga, infekcija pluća ili hipotireoze. Takvo se izlučivanje smatra neadekvatnim jer se proizvodnja ADH događa s normalnim ili povećana brzina u uvjetima hipoosmolaliteta, a to uzrokuje trajnu i progresivnu hiponatrijemiju s otpuštanjem hipertoničnog urina.

Zaključak

Hidrofilni hormoni i hormonima slične tvari građeni su od aminokiselina. kao što su proteini i peptidi, ili su derivati ​​aminokiselina. U velikim količinama talože se u stanicama endokrinih žlijezda i po potrebi ulaze u krv. Većina tih tvari prenosi se krvotokom bez sudjelovanja prijenosnika. Hidrofilni hormoni djeluju na ciljne stanice tako da se vežu za receptor na plazma membrani.

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

Sve na što reagiramo - alergije, upale, strah i sl. - posljedica je rada hormona.

Također, svaka radnja koju obavljaju unutarnji organi osobe uzrokovana je hormonima, koji su svojevrsne signalne tvari u tijelu.

Bibliografija

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

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

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

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

) Murray R., Grenner D., Humana biokemija // 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 sustava. - 1975. - str.4-5, 8-9, 32, 34, 36-37, 44, 46.

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

Pitanja za pripremu za lekciju:

1. Hormonska regulacija kao mehanizam međustanične i međuorganske koordinacije metabolizma. Glavni mehanizmi regulacije metabolizma: promjena aktivnosti enzima u stanici, promjena količine enzima u stanici (indukcija ili represija sinteze), promjena propusnosti staničnih membrana.

2. Hormoni, opće karakteristike, podjela hormona po kemijska 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 stražnje hipofize: vazopresin, oksitocin.

6. Struktura, sinteza i metabolizam jodtironina.

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

8. Hormoni srži nadbubrežne žlijezde. Građa, utjecaj na metabolizam. biosinteza kateholamina.

9. Hormon rasta, struktura, funkcije.

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

11. Inzulin. Glukagon. Utjecaj na metabolizam.

12. Hormonska slika dijabetes melitusa ovisnog o inzulinu

13. Hormonska slika dijabetes melitusa neovisnog o inzulinu

14. Steroidni hormoni. Glukokortikoidi.

15. Spolni hormoni.

16. Renin-angiotenzinski sustav.

17. Kalikrein-kininski sustav.

Ispunite zadatke:

1. Liberini:

A. Mali peptidi

B. Interakcija s citoplazmatskim receptorima.

B. Aktivirati lučenje tropskih hormona.

D. Prenose signal na receptore prednje hipofize.

D. Izazvati lučenje inzulina.

2. Odaberite pogrešnu tvrdnju. kamp:

A. Sudjeluje u mobilizaciji glikogena.

B. Drugi glasnik signala.

B. Aktivator protein kinaze.

D. Adenilat ciklaza koenzim.

D. Supstrat fosfodiesteraze.

3. Poredajte događaje koji se događaju tijekom sinteze jodtironina u potreban red, koristeći brojčane oznake:

A. Jod tirozinskih ostataka u tireoglobulinu.

B. Sinteza tireoglobulina.

B. Kondenzacija jodiranih ostataka tirozina.

D. Transport jodotironina u ciljne stanice.

D. Stvaranje kompleksa s proteinom koji veže tiroksin.

4. Poredajte navedene metabolite po redoslijedu nastanka:

A. 17-OH-progesteron.

B. Pregnenolon.

B. Kolesterol.

G. Progesteron

D. Kortizol.

5. Odaberite hormon čija se sinteza i izlučivanje povećava kao odgovor na porast osmotskog tlaka:

A. Aldosteron.

B. Kortizol.

B. Vazopresin.

G. Adrenalin.

D. Glukagon.

6. Pod utjecajem inzulina u jetri se ubrzavaju:

A. Biosinteza proteina

B. Biosinteza glikogena.

B. Glukoneogeneza.

D. Biosinteza masnih kiselina.

D. Glikoliza.

7. Za trodnevni post vrijedi sve navedeno osim:

A. Inzulin-glukagon indeks je smanjen.

B. Brzina glukoneogeneze iz aminokiselina je povećana.

C. Brzina sinteze TAG-a u jetri se smanjuje.

D. Brzina b-oksidacije u jetri se smanjuje.

D. Koncentracija ketonskih tijela u krvi iznad normale.

8. Kod dijabetes melitusa u jetri se događa sljedeće:

A. Ubrzanje sinteze glikogena.

B. Smanjena brzina glukoneogeneze iz laktata.

B. Smanjena stopa mobilizacije glikogena.

D. Povećanje brzine sinteze acetoacetata.

D. Povećana aktivnost acetil-CoA karboksilaze.

9. Kada se NIDDM pacijenti najčešće nalaze:

A. Hiperglukozemija.

B. Smanjena brzina sinteze inzulina.

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

D. Antitijela na b-stanice gušterače.

D. Mikroangiopatija.

LABORATORIJA 14

Tema: Izrada i analiza glikemijskih krivulja

Cilj: Proučiti intermedijarni metabolizam ugljikohidrata, ulogu ugljikohidrata u energetskom metabolizmu. Klinički i dijagnostički značaj metode opterećenja šećerom kod šećerne bolesti, Addisonove bolesti, hipotireoze i dr.

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

glukoza + O 2 glukonolakton + H 2 O 2

Vodikov peroksid koji nastaje tijekom ove reakcije uzrokuje oksidaciju supstrata peroksidaze uz stvaranje obojenog produkta.

Metoda opterećenja šećerom: Ujutro na prazan želudac pacijentu se uzima krv iz prsta i određuje koncentracija glukoze u krvi. Nakon toga dajte piti 50 - 100 g glukoze u 200 ml tople prokuhane vode (1 g glukoze na 1 kg težine) ne dulje od 5 minuta. Zatim se ponovno ispituje sadržaj glukoze u krvi, uzimajući krv iz prsta svakih 30 minuta tijekom 2-3 sata. Izrađuje se grafikon u koordinatama: vrijeme - koncentracija glukoze u krvnom serumu, prema vrsti grafikona postavlja se dijagnoza ili pojašnjava.

Napredak: U uzorcima seruma (prije i poslije uzimanja glukoze) odrediti koncentraciju glukoze. Da biste to učinili, 2 ml radnog reagensa (fosfatni pufer, supstrati peroksidaze + glukoza oksidaze u omjeru 40:1) dodaju se u niz epruveta. U jednu od epruveta doda se 0,05 ml standardne otopine glukoze koncentracije 10 mmol/l. U ostalima - 0,05 ml krvnog seruma uzetog prema metodi opterećenja šećerom. Otopine se protresu i inkubiraju na sobnoj temperaturi 20 minuta.

Nakon inkubacije, optička gustoća otopina se mjeri na FEC na valnoj duljini od 490 nm. Kiveta s duljinom optičkog puta od 5 mm. Poredbena otopina - radni reagens.

Izračun koncentracije glukoze:

C = 10 mmol/l

gdje je E op - optička gustoća u uzorcima seruma;

E st - optička gustoća standardne otopine glukoze

Rezultat analize:

Raspored:

Zaključak:

Datum: Potpis nastavnika:

PRAKTIČNA NASTAVA

Test3 Hormonska regulacija metabolizma

Riža. 3. Shema poticanja razgradnje glikogena povećanjem razine cAMP

Signali citoskeleta

CAMP-regulirana kaskadna shema interakcija enzima čini se kompliciranom, ali u stvarnosti je još složenija. Konkretno, receptori koji se vežu na primarne glasnike ne utječu izravno na aktivnost adenilat ciklaze, već preko takozvanih G-proteina (slika 4), koji rade pod kontrolom guanin trifosforne kiseline (GTP).

A što se događa kada se normalna veza događaja iz nekog razloga poremeti? Primjer bi bila kolera. Vibrio cholerae toksin utječe na razinu GTP-a i utječe na aktivnost G-proteina. Zbog toga je razina cAMP-a u crijevnim stanicama oboljelih od kolere stalno visoka, što uzrokuje prijenos velike količine natrijevih i vodenih iona iz stanica u crijevni lumen. Posljedica toga je iscrpljujući proljev i gubitak vode u tijelu.

Normalno, pod utjecajem enzima fosfodiesteraze, cAMP u stanici se brzo inaktivira, pretvarajući se u neciklički adenozin monofosfat AMP. Tijek druge bolesti, pertusisa, koju uzrokuje bakterija Bordetella pertussis, prati stvaranje toksina koji inhibira pretvorbu cAMP u AMP. Odavde nastaju neugodni simptomi bolesti - crvenilo grla i kašalj do povraćanja.

Na aktivnost fosfodiesteraze, koja pretvara cAMP u AMP, utječu, primjerice, kofein i teofilin, što uzrokuje stimulirajući učinak kave i čaja.

Raznolikost cAMP učinaka i načina regulacije njegove koncentracije u stanicama čini ga univerzalnim sekundarnim glasnikom koji ima ključnu ulogu u aktivaciji različitih protein kinaza.

U različitim stanicama, cAMP može dovesti do potpuno različitih učinaka. Ovaj spoj ne samo da sudjeluje u razgradnji glikogena i masti, već i ubrzava rad srca, utječe na opuštanje mišića, kontrolira intenzitet lučenja i brzinu apsorpcije tekućine. To je sekundarni glasnik za niz različitih hormona: adrenalin, vazopresin, glukagon, serotonin, prostaglandin, hormon koji stimulira štitnjaču; cAMP djeluje u stanicama skeletnih mišića, srčanom mišiću, glatkim mišićima, bubrezima, jetri i trombocitima.

Prirodno se postavlja pitanje: zašto različite stanice različito reagiraju na cAMP? Može se i drukčije formulirati: zašto se s povećanjem koncentracije cAMP-a u različitim stanicama aktiviraju različite protein kinaze koje fosforiliraju različite proteine? Ova se situacija može ilustrirati sljedećom analogijom. Zamislite da na vrata ureda neprestano dolaze razni posjetitelji – ligandi i primarni glasnici. Istodobno zvone u jednom pozivu: čuje se signal - sekundarni glasnik. Istovremeno, kako zaposlenici ustanove mogu utvrditi tko je točno došao u posjetu i kako trebaju reagirati na tog posjetitelja?

Zagonetka kalcijevih iona

Razmotrimo prvo što se događa s drugim iznimno čestim drugim glasnikom - kalcijem, odnosno njegovim ionima. Po prvi put njihova ključna uloga u nizu bioloških reakcija pokazala se već 1883. godine, kada je Sydney Ringer uočio da se izolirani žablji mišići ne kontrahiraju u destiliranoj vodi. Da bi se mišić kontrahirao kao odgovor na električnu stimulaciju, potrebna mu je prisutnost iona kalcija u njegovoj okolini.

Redoslijed glavnih događaja koji se događaju tijekom kontrakcije skeletnih mišića sada je dobro poznat (slika 5). Kao odgovor na električni impuls koji dopire do mišića duž aksona živčane stanice, unutar mišićna stanica- miofibrile - otvoreni spremnici kalcijevih iona - membranski spremnici, u kojima koncentracija kalcijevih iona može biti tisuću i više puta veća nego u citoplazmi (slika 6). Oslobođeni kalcij spaja se s proteinom troponinom C, koji je povezan s aktin filamentima koji oblažu unutarnju površinu stanice. Troponin (slika 7) ima ulogu blokatora koji sprječava klizanje miozinskih niti duž aktinskih niti. Kao rezultat dodavanja kalcija troponinu, blok se odvaja od filamenta, miozin klizi preko aktina, a mišić se kontrahira (slika 8). Čim čin kontrakcije završi, posebni proteini - kalcijeve ATPaze - pumpaju ione kalcija natrag u unutarstanične rezervoare.

Na koncentraciju unutarstaničnog kalcija utječu ne samo živčani 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.

Tvari koje utječu na kalcij mogu se također nalaziti izravno u staničnoj membrani. Kao što je poznato, membrana se sastoji od fosfolipida, među kojima posebnu ulogu ima jedan - fosfoinozitol-4,5-difosfat. Osim inozitola, molekula fosfoinozitol-4,5-difosfata sadrži dva duga lanca ugljikovodika koji se sastoje od 20 i 17 atoma ugljika (slika 9). Pod utjecajem određenih izvanstaničnih signala i pod kontrolom čitateljima već poznatih G-proteina dolazi do njihovog odvajanja, pri čemu nastaju dvije molekule - diacilglicerol i inozitol trifosfat. Potonji je uključen u oslobađanje intracelularnog kalcija (slika 10). Ova vrsta signalizacije koristi se, primjerice, u oplođenim jajima žabe s kandžama.

Prodiranje prvog od mnogih spermija u jajnu stanicu spremnu za oplodnju uzrokuje stvaranje inozitol trifosfata u njezinoj membrani. Kao rezultat toga, ioni kalcija se oslobađaju iz unutarnjih rezervoara i ljuska oplođenog jajašca trenutačno nabubri, presjekavši put u jaje manje sretnim ili manje okretnim spermijima.

Kako nešto tako jednostavno kao što je kalcijev ion može regulirati aktivnost proteina? Pokazalo se da se on unutar stanice veže s posebnim proteinom kalmodulinom (slika 11). Ovaj prilično veliki protein koji se sastoji od 148 aminokiselinskih ostataka, poput cAMP-a, pronađen je u gotovo svim proučavanim stanicama.

Kratki opis:

Nastavni materijali iz biokemije i molekularne biologije: Građa i funkcije bioloških membrana.

MODUL 4: STRUKTURA I FUNKCIJE BIOLOŠKIH MEMBRANA

_Teme _

4.1. opće karakteristike membrane. Struktura i sastav membrana

4.2. Prijenos tvari kroz membrane

4.3. Transmembranska signalizacija _

Ciljevi učenja Biti u stanju:

1. Protumačiti ulogu membrana u regulaciji metabolizma, transportu tvari u stanicu i uklanjanju metabolita.

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

Znati:

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

2. Glavni načini prijenosa tvari kroz membrane.

3. Glavne komponente i stupnjevi transmembranske signalizacije hormona, medijatora, citokina, eikosanoida.

TEMA 4.1. OPĆE KARAKTERISTIKE MEMBRANA.

GRAĐA I SASTAV MEMBRANA

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

Membrana:

Odvojite stanice od okoline i podijelite je u odjeljke (odjeljke);

Reguliraju transport tvari u stanice i organele i obrnuto;

Osigurati specifičnost međustaničnih kontakata;

Oni primaju signale iz okoline.

Koordinirano funkcioniranje membranskih sustava, uključujući receptore, enzime, transportne sustave, pomaže u održavanju stanične homeostaze i brzom odgovoru na promjene stanja vanjske okoline reguliranjem metabolizma unutar stanica.

Biološke membrane sastoje se od lipida i proteina međusobno povezanih nekovalentan interakcije. Baza membrane je dvostruki lipidni sloj koji uključuje proteinske molekule (slika 4.1). Lipidni dvosloj čine dva reda amfifilan molekule čiji su hidrofobni "repovi" skriveni unutra, a hidrofilne skupine - polarne "glave" su okrenute prema van iu kontaktu su s vodenim medijem.

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

Tri su glavne vrste lipida u membranama - fosfolipidi, glikolipidi i kolesterol (Sl. 4.2 - 4.4). Najčešće se nalazi Glicerofosfolipidi su derivati ​​fosfatidne kiseline.

Riža. 4.1. Poprečni presjek plazma membrane

Riža. 4.2. Glicerofosfolipidi.

Fosfatidna kiselina je diacilglicerol fosfat. R1, R2 - radikali masnih kiselina (hidrofobni "repovi"). Višestruko nezasićeni ostatak masne kiseline povezan je s drugim ugljikovim atomom glicerola. Polarna "glava" je ostatak fosforne kiseline i hidrofilna skupina serina, kolina, etanolamina ili inozitola vezana za njega

Postoje i lipidi – derivati amino alkohol sfingozin.

Amino alkohol sfingozin nakon acilacije, tj. spajanjem masne kiseline na NH 2 skupinu, pretvara se u ceramid. Ceramidi se razlikuju po ostatku masne kiseline. Različite polarne skupine mogu se povezati s OH skupinom ceramida. Ovisno o građi polarne "glave", ovi se derivati ​​dijele u dvije skupine - fosfolipide i glikolipide. Struktura polarne skupine sfingofosfolipida (sfingomijelina) slična je glicerofosfolipidima. Mnogi sfingomijelini nalaze se u mijelinskim ovojnicama živčanih vlakana. Glikolipidi su ugljikohidratni derivati ​​ceramida. Ovisno o strukturi ugljikohidratne komponente, razlikuju se cerebrozidi i gangliozidi.

kolesterol nalazi se u membranama svih životinjskih stanica, učvršćuje membrane i smanjuje ih fluidnost(fluidnost). Molekula kolesterola nalazi se u hidrofobnoj zoni membrane paralelno s hidrofobnim "repovima" fosfo- i glikolipidnih molekula. Hidroksilna skupina kolesterola, kao i hidrofilne "glave" fosfo- i glikolipida,

Riža. 4.3. Derivati ​​amino alkohola sfingozina.

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

okrenuti vodenoj fazi. Molarni omjer kolesterola i ostalih lipida u membranama je 0,3-0,9. Ova vrijednost ima najveću vrijednost za citoplazmatsku membranu.

Povećanje udjela kolesterola u membranama smanjuje pokretljivost lanaca masnih kiselina, što utječe na konformacijsku labilnost membranskih proteina i smanjuje mogućnost njihove lateralna difuzija. S povećanjem fluidnosti membrane uzrokovane djelovanjem lipofilnih tvari na njih ili peroksidacijom lipida, povećava se udio kolesterola u membranama.

Riža. 4.4. Položaj u membrani fosfolipida i kolesterola.

Molekula kolesterola sastoji se od krute hidrofobne jezgre i fleksibilnog lanca ugljikovodika. Polarna "glava" je OH grupa na 3. ugljikovom atomu molekule kolesterola. Za usporedbu, slika prikazuje shematski prikaz membranskog fosfolipida. Polarna glava ovih molekula mnogo je veća i ima naboj

Lipidni sastav membrana je različit, sadržaj jednog ili drugog lipida, očito, određen je raznolikošću funkcija koje te molekule obavljaju u membranama.

Glavne funkcije membranskih lipida su sljedeće:

Oni tvore lipidni dvosloj – strukturnu osnovu membrana;

Osigurati okruženje potrebno za funkcioniranje membranskih proteina;

Sudjeluju u regulaciji aktivnosti enzima;

Služi kao "sidro" za površinske proteine;

Sudjeluju u prijenosu hormonskih signala.

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

2. Membranski proteini. Membranski proteini razlikuju se po položaju u membrani (slika 4.5). Membranski proteini u kontaktu s hidrofobnim područjem lipidnog dvosloja moraju biti amfifilni, tj. imaju nepolarnu domenu. Amfifilnost se postiže zahvaljujući činjenici da:

Aminokiselinski ostaci u kontaktu s lipidnim dvoslojem većinom su nepolarni;

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

Acilni ostaci masnih kiselina vezani za protein osiguravaju njegovo "usidrenje" u membranu 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 međustaničnog prostora.

Riža. 4.5. Membranski proteini:

1, 2 - integralni (transmembranski) proteini; 3, 4, 5, 6 - površinski proteini. Kod integralnih proteina dio polipeptidnog lanca je ugrađen u lipidni sloj. Oni dijelovi proteina koji su u interakciji s ugljikovodičnim lancima masnih kiselina sadrže pretežno nepolarne aminokiseline. Regije proteina smještene u regiji polarnih "glava" obogaćene su hidrofilnim aminokiselinskim ostacima. Površinski proteini različiti putevi pričvršćeni na membranu: 3 - povezani s integralnim proteinima; 4 - pričvršćen na polarne "glave" lipidnog sloja; 5 - "usidren" u membranu s kratkom hidrofobnom terminalnom domenom; 6 - "usidren" u membranu pomoću kovalentno vezanog acilnog ostatka

Vanjski i unutarnji sloj iste membrane razlikuju se po sastavu lipida i proteina. Ova značajka u strukturi membrana naziva se transmembranska asimetrija.

Membranski proteini mogu biti uključeni u:

Selektivni transport tvari u i iz stanice;

Prijenos hormonskih signala;

Stvaranje "obrubljenih jama" uključenih u endocitozu i egzocitozu;

Imunološke reakcije;

Kao enzimi u transformacijama tvari;

Organizacija međustaničnih kontakata koji osiguravaju stvaranje tkiva i organa.

TEMA 4.2. TRANSPORT TVARI KROZ MEMBRANE

Jedna od glavnih funkcija membrana je regulacija prijenosa tvari u stanicu i iz nje, zadržavanje tvari potrebnih stanici i uklanjanje nepotrebnih. Prijenos iona, organskih molekula kroz membrane može se odvijati duž koncentracijskog gradijenta - pasivni transport i protiv koncentracijskog gradijenta - aktivni transport.

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

Riža. 4.6. Mehanizmi prijenosa tvari kroz membrane uz koncentracijski gradijent

Pasivni transport je difuzija iona kroz proteinske kanale, na primjer, difuzija H+, Ca 2+, N+, K+. Funkcioniranje većine kanala regulirano je specifičnim ligandima ili promjenama transmembranskog potencijala.

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

IP 3 (inozitol-1,4,5-trifosfat) nastaje tijekom hidrolize membranskog lipida PIF 2 (fosfatidilinozitol-4,5-bisfosfat) pod djelovanjem enzima fosfolipaze C. IP 3 se veže na specifične centre Ca 2 + protomeri membranskog kanala endoplazmatskog retikuluma. Mijenja se konformacija proteina i otvara se kanal - Ca 2+ ulazi u citosol stanice duž koncentracijskog gradijenta.

2. Aktivni transport. primarno aktivan transport se odvija protiv gradijenta koncentracije uz trošenje ATP energije uz sudjelovanje transportnih ATPaza, na primjer Na +, K + -ATPaza, H + -ATPaza, Ca 2 + -ATPaza (slika 4.8). H + -ATPaze funkcioniraju kao protonske pumpe, koje stvaraju kiseli okoliš u lizosomima stanice. Uz pomoć Ca 2+ -ATPaze citoplazmatske membrane i membrane endoplazmatskog retikuluma održava se niska koncentracija kalcija u citosolu stanice i stvara unutarstanični depo Ca 2+ u mitohondrijima i endoplazmi. retikulum.

sekundarno aktivan transport nastaje zbog koncentracijskog gradijenta jedne od transportiranih tvari (sl. 4.9), koji najčešće stvara Na +, K + -ATPaza, koja funkcionira uz potrošnju ATP-a.

Pričvršćivanje na aktivno središte proteina nosača tvari čija je koncentracija veća mijenja njezinu konformaciju i povećava afinitet prema spoju koji prolazi u stanicu protiv koncentracijskog gradijenta. Postoje dvije vrste sekundarnog aktivnog transporta: aktivni simbol I protuluka.

Riža. 4.8. Mehanizam djelovanja Ca 2 + -ATPaze

Riža. 4.9. sekundarni aktivni transport

3. Prijenos makromolekula i čestica uz sudjelovanje membrana - endocitoza i egzocitoza.

Prijenos iz izvanstaničnog okoliša u stanicu makromolekula, poput proteina, nukleinske kiseline, polisaharida ili čak većih čestica, nastaje putem endocitoza. Vezanje tvari ili visokomolekularnih kompleksa događa se u određenim područjima plazma membrane, tzv. obložene jame. Endocitoza, koja se događa uz sudjelovanje receptora ugrađenih u obrubljene jamice, omogućuje stanicama da apsorbiraju specifične tvari i naziva se endocitoza ovisna o receptorima.

Makromolekule kao što su peptidni hormoni probavni enzimi, proteini izvanstaničnog matriksa, lipoproteinski kompleksi, izlučuju se u krv ili međustanični prostor putem egzocitoza. Ovaj način transporta omogućuje uklanjanje tvari koje se nakupljaju u sekretornim granulama iz stanice. U većini slučajeva, egzocitoza se regulira promjenom koncentracije kalcijevih iona u citoplazmi stanica.

TEMA 4.3. TRANSMEMBRANA SIGNALIZACIJA

Važno svojstvo membrana je sposobnost percepcije i prijenosa signala iz okoline unutar stanice. Percepcija vanjskih signala od strane stanica javlja se u njihovoj interakciji s receptorima koji se nalaze u membrani ciljnih stanica. Receptori, vezanjem signalne molekule, aktiviraju unutarstanične putove prijenosa informacija, što dovodi do promjene brzine različitih metaboličkih procesa.

1. Signalna molekula, koji specifično komunicira s membranskim receptorom primarni glasnik. Razni kemijski spojevi djeluju kao primarni glasnici - hormoni, neurotransmiteri, eikozanoidi, faktori rasta ili fizički čimbenici, kao što je kvant svjetlosti. Receptori stanične membrane aktivirani primarnim glasnicima prenose primljenu informaciju sustavu proteina i enzima koji tvore kaskada prijenosa signala, osiguravajući pojačanje signala nekoliko stotina puta. Vrijeme odgovora stanice, koje se sastoji od aktivacije ili inaktivacije metaboličkih procesa, mišićne kontrakcije, transporta tvari iz ciljnih stanica, može biti nekoliko minuta.

Membrana receptore podijeljeno na:

Receptori koji sadrže podjedinicu koja veže primarni glasnik i ionski kanal;

Receptori sposobni za ispoljavanje katalitičke aktivnosti;

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

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

Riža. 4.10. Receptori smješteni u membrani.

Membranski receptori mogu se podijeliti u tri skupine. Receptori: 1 - sadrže podjedinicu koja veže signalnu molekulu i ionski kanal, na primjer, acetilkolinski receptor na postsinaptičkoj membrani; 2 - pokazuje katalitičku aktivnost 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, na primjer različiti tipovi receptore za adrenalin, acetilkolin i druge signalne molekule

Uloga sekundarni glasnici izvode molekule i ione:

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 s unutarstanični receptori. Fiziološki važna razlika između membranskih i unutarstaničnih receptora je brzina odgovora na dolazni signal. U prvom slučaju, učinak će biti brz i kratkotrajan, u drugom - spor, ali dugotrajan.

G-protein spregnuti receptori

Interakcija hormona s G-protein spregnutim receptorima dovodi do aktivacije sustava prijenosa signala inozitol fosfata ili promjena u aktivnosti regulacijskog sustava adenilat ciklaze.

2. Sustav adenilat ciklaze uključuje (Sl. 4.11):

- sastavni proteini citoplazmatske membrane:

R s - receptor primarnog glasnika - aktivatora sustava adenilat ciklaze (ACS);

R; - receptor primarnog glasnika - inhibitor ACS;

Enzim adenilat ciklaza (AC).

- "usidren" proteini:

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

Riža. 4.11. Djelovanje sustava adenilat ciklaze

G; - GTP-vezujući protein, koji se sastoji od αβγ-podjedinica, u kojima a; -podjedinica je povezana s GDP molekulom; - citosolni enzim protein kinaza A (PKA).

Slijed događaja transdukcije signala primarnog glasnika sustavom adenilat ciklaze

Receptor ima vezna mjesta za primarnog glasnika na vanjskoj površini membrane i G-protein (α,βγ-GDP) na unutarnjoj površini membrane. Interakcija aktivatora sustava adenilat ciklaze, kao što je hormon, s receptorom (R s), dovodi do promjene konformacije receptora. Povećava se afinitet receptora za G..-protein. Vezanje kompleksa hormon-receptor na GS-GDP smanjuje afinitet α,-podjedinice G..-proteina za GDP i povećava afinitet za GTP. U aktivno središteα,-GDP podjedinica zamijenjena je GTP-om. To uzrokuje promjenu u konformaciji 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 stvaranja drugog glasnika - cikličkog adenozin-3,5'-monofosfata (cAMP) iz ATP-a. U stanici raste koncentracija cAMP-a. Molekule cAMP mogu se reverzibilno vezati na 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 enzimatsku aktivnost. Pričvršćivanje cAMP na regulacijske podjedinice uzrokuje promjenu njihove konformacije i gubitak komplementarnosti s C-podjedinicama. Katalitičke podjedinice stječu 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, stoga se mijenja brzina metaboličkih procesa u kojima sudjeluju.

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

Inaktivacija adenilat ciklaze i protein kinaze A

α,-podjedinica u kompleksu s GTP, u interakciji s adenilat ciklazom, počinje pokazivati ​​enzimsku (GTP-fosfataznu) aktivnost, hidrolizira GTP. Rezultirajuća GDP molekula ostaje u aktivnom središtu α, podjedinice, mijenja svoju konformaciju i smanjuje svoj afinitet za AC. Kompleks AC i α,-GDP 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 nastale cAMP molekule u AMP. Smanjenje koncentracije cAMP u stanici uzrokuje cijepanje kompleksa cAMP 4 K " 2 i povećava afinitet R- i C-podjedinice, te nastaje neaktivni oblik PKA.

Fosforilirani enzimi i proteini fosfoprotein fosfataza prelaze u defosforilirani oblik, mijenja se njihova konformacija, aktivnost i brzina procesa u kojima ti enzimi sudjeluju. Kao rezultat toga, sustav se vraća u prvobitno stanje i spreman je za ponovnu aktivaciju kada hormon stupi u interakciju s receptorom. Tako je osigurana korespondencija sadržaja hormona u krvi i intenziteta odgovora ciljnih stanica.

3. Sudjelovanje sustava adenilat ciklaze u regulaciji ekspresije gena. Mnogi proteinski hormoni: glukagon, vazopresin, paratireoidni hormon itd., koji prenose svoj signal kroz sustav adenilat ciklaze, mogu ne samo uzrokovati promjenu brzine reakcija fosforilacijom enzima koji su već prisutni u stanici, već i povećati ili smanjiti njihov broj reguliranjem ekspresije gena (slika 4.12). Aktivna protein kinaza A može prijeći u jezgru i fosforilirati transkripcijski faktor (CREB). Pristupanje fosfora

Riža. 4.12. Put adenilat ciklaze vodi do ekspresije specifičnih gena

Ostatak povećava afinitet transkripcijskog faktora (CREB-(P) za specifičnu sekvencu regulacijske zone DNA-CRE (cAMP-response element) i potiče ekspresiju određenih proteinskih gena.

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

Riža. 4.13. Inozitol fosfatni sustav

Rad sustava osiguravaju proteini: kalmodulin, enzim protein kinaza C, Ca 2 + -kalmodulin-ovisne protein kinaze, regulirani Ca 2 + kanali membrane endoplazmatskog retikuluma, Ca 2 + -ATPaza staničnih i mitohondrijskih membrana.

Slijed događaja transdukcije primarnog messenger signala inozitol fosfatnim sustavom

Vezanje aktivatora inozitol fosfatnog sustava na receptor (R) dovodi do promjene njegove konformacije. Povećava se afinitet receptora za Gfls protein. Vezanje primarnog kompleksa messenger-receptor na Gf ​​ls-GDP smanjuje afinitet af ls-podjedinice za GDP i povećava afinitet za GTP. Na aktivnom mjestu, af ls podjedinica BDP-a zamijenjena je GTP-om. To 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 pomiče preko membrane do enzima fosfolipaza C.

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

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

Tijekom reakcije nastaju dva produkta - sekundarni glasnici hormonskog signala (sekundarni glasnici): diacilglicerol, koji ostaje u membrani i sudjeluje u aktivaciji enzima protein kinaze C, i inozitol-1,4,5-trifosfat. (IF 3), koji, budući da je hidrofilan spoj, odlazi u citosol. Dakle, signal koji prima stanični receptor je račvan. IP 3 se veže na 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 oko 3-4 reda veličine veća nego u citosolu, nakon otvaranja Ca 2+ kanala, on ulazi u citosol duž koncentracijskog gradijenta. U nedostatku IF 3 u citosolu, kanal je zatvoren.

Citosol svih stanica sadrži mali protein zvan kalmodulin, koji ima četiri mjesta vezivanja Ca 2+. S povećanjem koncentracije

kalcija, aktivno se veže za kalmodulin, tvoreći kompleks 4Sa 2+ -kalmodulin. Ovaj kompleks stupa u interakciju s Ca 2+ -kalmodulin-ovisnim protein kinazama i drugim enzimima te povećava njihovu aktivnost. Aktivirana Ca 2+-kalmodulin-ovisna protein kinaza fosforilira određene proteine ​​i enzime, zbog čega se mijenja njihova aktivnost i brzina metaboličkih procesa u kojima sudjeluju.

Povećanje koncentracije Ca 2+ u citosolu stanice povećava brzinu interakcije Ca 2+ s neaktivnim citosolnim enzimom protein kinaza C (PKC). Vezanje PKC na ione kalcija stimulira kretanje proteina do plazma membrane i omogućuje enzimu interakciju s negativno nabijenim "glavama" molekula membranskog fosfatidilserina (PS). Diacilglicerol, zauzimajući određena mjesta u protein kinazi C, dodatno povećava svoj afinitet za kalcijeve ione. Na unutarnjoj strani membrane stvara se aktivni oblik PKC (PKC? Ca2+? PS? DAG) koji fosforilira specifične enzime.

Aktivacija IF sustava je kratkotrajna, a nakon što stanica odgovori na podražaj dolazi do inaktivacije fosfolipaze C, protein kinaze C i Ca2+-kalmodulinu ovisnih enzima. af ls - Podjedinica u kompleksu s GTP i fosfolipazom C pokazuje enzimsku (GTP-fosfataznu) aktivnost, hidrolizira GTP. GDP-vezana afls podjedinica gubi svoj afinitet za fosfolipazu C i vraća se u svoje prvobitno neaktivno stanje, tj. uključen je u αβγ-GDP kompleks Gf ls-protein).

Odvajanje afls-GDF od fosfolipaze C inaktivira enzim i hidroliza FIF 2 prestaje. Povećanje koncentracije Ca 2+ u citosolu aktivira Ca 2+ -ATPazu endoplazmatskog retikuluma, citoplazmatske membrane, koja "ispumpava" Ca 2+ iz citosola stanice. U tom procesu sudjeluju i Na+/Ca 2+- i H+/Ca 2+-prijenosnici koji funkcioniraju po principu aktivnog antiporta. Smanjenje koncentracije Ca 2+ dovodi do disocijacije i inaktivacije enzima ovisnih o Ca 2+ -kalmodulinu, kao i do gubitka afiniteta protein kinaze C za membranske lipide i smanjenja njezine aktivnosti.

IP 3 i DAG nastali kao rezultat aktivacije sustava mogu ponovno djelovati jedan s drugim i pretvoriti se u fosfatidilinozitol-4,5-bisfosfat.

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

5. Katalitički receptori. Katalitički receptori su enzimi. Aktivatori ovih enzima mogu biti hormoni, faktori rasta, citokini. U aktivnom obliku, enzimi receptori fosforiliraju specifične proteine ​​na -OH skupinama tirozina, stoga se nazivaju tirozin protein kinaze (slika 4.15). Posebnim mehanizmima signal koji primi katalitički receptor može se prenijeti u jezgru, gdje stimulira ili potiskuje ekspresiju određenih gena.

Riža. 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 ovisnim o inzulinu.

Tirozin protein fosfataza defosforilira β-podjedinicu receptora

inzulin

Primjer katalitičkog receptora je inzulinski receptor, koji se sastoji od dvije a- i dvije β-podjedinice. a-podjedinice nalaze se na vanjskoj površini stanične membrane, β-podjedinice prodiru u dvosloj membrane. Vezno mjesto za inzulin čine N-terminalne domene α-podjedinica. Katalitički centar receptora nalazi se na unutarstaničnim domenama β-podjedinica. Citosolni dio receptora ima nekoliko tirozinskih ostataka koji se mogu fosforilirati i defosforilirati.

Pričvršćivanje inzulina na vezno mjesto formirano od a-podjedinica uzrokuje kooperativne konformacijske promjene u receptoru. β-podjedinice pokazuju aktivnost tirozin kinaze i kataliziraju transautofosforilaciju (prva β-podjedinica fosforilira drugu β-podjedinicu i obrnuto) na nekoliko tirozinskih ostataka. Fosforilacija dovodi do promjene naboja, konformacije i specifičnosti supstrata enzima (Tyr-PA). Tirozin-PK fosforilira određene stanične proteine, koji se nazivaju supstrati inzulinskih receptora. S druge strane, ti su proteini 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 ovisnim o inzulinu, stoga se povećava unos glukoze u stanice mišića i masnog tkiva;

tirozin protein fosfataza koji defosforilira β-podjedinicu inzulinskog receptora;

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

Implementacija učinka čimbenici rasta može se provesti pomoću katalitičkih receptora, koji se sastoje od jednog polipeptidnog lanca, ali formiraju dimere nakon vezanja primarnog glasnika. Svi receptori ovog tipa imaju izvanstaničnu glikoziliranu domenu, transmembransku (a-heliks) i citoplazmatsku domenu sposobnu ispoljavati aktivnost protein kinaze nakon aktivacije.

Dimerizacija potiče aktivaciju njihovih katalitičkih unutarstaničnih domena, koje provode transautofosforilaciju na aminokiselinskim ostacima serina, treonina ili tirozina. Pričvršćivanje fosfornih ostataka dovodi do stvaranja veznih mjesta za specifične citosolne proteine ​​u receptoru i aktivacije kaskade prijenosa signala protein kinaze (slika 4.16).

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

Vezanje receptora (R) za faktor rasta (GF) dovodi do njegove dimerizacije i transautofosforilacije. Fosforilirani receptor stječe afinitet za Grb2 protein. Nastali FR*R*Grb2 kompleks stupa u interakciju s citosolnim SOS proteinom. Promjena SOS konformacije

osigurava njegovu interakciju s usidrenim Ras-GDF membranskim proteinom. Stvaranje kompleksa FR?R?Grb2?SOS?Ras-GDP 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 s Raf proteinom u području membrane. Kompleks Ras–GTP–Raf pokazuje aktivnost protein kinaze i fosforilira enzim MEK kinazu. Aktivirana MEK kinaza zauzvrat fosforilira MAP kinazu na treonin i tirozin.

sl.4.16. kaskada MAP kinaze.

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

Grb2 - protein koji je u interakciji s receptorom faktora rasta (protein koji veže receptor rasta); SOS (GEF) - faktor izmjene GDP-GTP (faktor izmjene guanin nukleotida); Ras - G-protein (gvanidin trifosfataza); Raf-kinaza - u svom aktivnom obliku - fosforilirajuća MEK-kinaza; MEK kinaza - MAP kinaza kinaza; MAP kinaza - mitogenom aktivirana protein kinaza (mitogenom aktivirana protein kinaza)

Vezanje skupine -PO 3 2 - za radikale aminokiselina MAP kinaze mijenja njezin naboj, konformaciju i aktivnost. Enzim fosforilira specifične proteine ​​membrana, citosola i jezgre za serin i treonin.

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

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

Riža. 4.17. Regulacija aktivnosti membranske gvanilat ciklaze.

Membranski vezana gvanilat ciklaza (GC) je transmembranski glikoprotein. Vezni centar signalne molekule nalazi se na izvanstaničnoj domeni, unutarstanična domena gvanilat ciklaze pokazuje katalitičku aktivnost kao rezultat aktivacije

Pričvršćivanje primarnog glasnika na receptor aktivira gvanilat ciklazu, koja katalizira pretvorbu GTP-a u ciklički gvanozin-3,5'-monofosfat (cGMP), drugog glasnika. U stanici se povećava koncentracija cGMP-a. Molekule cGMP mogu se reverzibilno vezati za regulacijske centre protein kinaze G (PKG5), koja se sastoji od dvije podjedinice. Četiri molekule cGMP-a mijenjaju konformaciju i aktivnost enzima. Aktivna protein kinaza G katalizira fosforilaciju određenih proteina i enzima u staničnom citosolu. Jedan od primarnih glasnika protein kinaze G je atrijski natriuretski faktor (ANF), koji regulira homeostazu tekućine u tijelu.

6. Prijenos signala pomoću unutarstaničnih receptora. Kemijski hidrofobni hormoni (steroidni hormoni i tiroksin) mogu difundirati kroz membrane, pa se njihovi receptori nalaze u citosolu ili staničnoj jezgri.

Citosolni receptori povezani su s proteinom šaperonom koji sprječava preuranjenu aktivaciju receptora. Nuklearni i citosolni receptori za steroidne i hormone štitnjače sadrže DNA-veznu domenu koja osigurava interakciju kompleksa hormon-receptor s regulatornim regijama DNA u jezgri i promjene u brzini transkripcije.

Slijed događaja koji dovodi do promjene u brzini transkripcije

Hormon prolazi kroz lipidni dvosloj stanične membrane. U citosolu ili jezgri, hormon stupa u interakciju s receptorom. Kompleks hormon-receptor prelazi u jezgru i pričvršćuje se na regulacijski nukleotidni niz DNA - pojačivač(Sl. 4.18) ili prigušivač. Dostupnost promotora za RNA polimerazu povećava se nakon interakcije s pojačivačem ili smanjuje nakon interakcije s prigušivačem. Sukladno tome, brzina transkripcije pojedinih strukturnih gena se povećava ili smanjuje. Zrele mRNA oslobađaju se iz jezgre. Brzina translacije određenih proteina se povećava ili smanjuje. Promjene u količini proteina koje utječu na metabolizam i funkcionalno stanje Stanice.

U svakoj stanici postoje receptori uključeni u različite sustave pretvornika signala koji transformiraju sve vanjski signali u intracelularno. Broj receptora za određeni prvi glasnik može varirati od 500 do preko 100 000 po stanici. Nalaze se na membrani udaljeno jedna od druge ili su koncentrirane u određenim njezinim područjima.

Riža. 4.18. Prijenos signala do unutarstaničnih receptora

b) iz tablice odaberite lipide koji sudjeluju u:

1. Aktivacija protein kinaze C

2. Reakcije stvaranja DAG pod djelovanjem fosfolipaze C

3. Stvaranje mijelinskih ovojnica živčanih vlakana

c) napišite reakciju hidrolize lipida koji ste odabrali u stavku 2.;

d) označiti koji od produkata hidrolize sudjeluje u regulaciji Ca 2 + kanala endoplazmatskog retikuluma.

2. Izaberite ispravne odgovore.

Na konformacijsku labilnost proteina nosača može utjecati:

B. Promjena električnog potencijala preko membrane

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

3. Podudaranje skupa:

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

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

1. Nosi Na+ duž koncentracijskog gradijenta

2. Djeluje mehanizmom olakšane difuzije

3. Nosi Na+ protiv koncentracijskog gradijenta

4. Prijenos stola. 4.2. bilježnicu i ispunite je.

Tablica 4.2. Adenilat ciklaza i inozitol fosfatni sustavi

Struktura i faze rada	Sustav adenilat ciklaze	Inozitol fosfatni sustav
Primjer primarnog glasnika sustava
Integralni protein stanične membrane u komplementarnoj interakciji s primarnim glasnikom
Protein koji aktivira signalni enzim
Enzimski sustav koji tvori sekundarne (e) glasnike
Sekundarni glasnik(i) sustava
Citosolni (e) enzim(i) sustava u interakciji (e) s drugim glasnikom
Mehanizam regulacije (u ovom sustavu) aktivnosti enzima metaboličkih putova
Mehanizmi za smanjenje koncentracije sekundarnih glasnika u ciljnoj stanici
Razlog smanjenja aktivnosti membranskog enzima signalnog sustava

ZADACI ZA SAMOKONTROLU

1. Podudaranje skupa:

A. Pasivni simport B. Pasivni antiport

B. Endocitoza D. Egzocitoza

D. Primarni aktivni transport

1. Prijenos tvari u stanicu događa se zajedno s dijelom plazma membrane

2. Istovremeno dvije različite tvari prolaze u stanicu duž koncentracijskog gradijenta

3. Transport tvari ide protiv koncentracijskog gradijenta

2. Izaberi točan 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. Regulira aktivnost katalitičkog receptora B. Aktivira fosfolipazu C

B. Pretvara protein kinazu A u njen aktivni oblik

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

Drugi glasnik:

4. Postavite utakmicu.

Funkcioniranje:

A. Sposobnost lateralne difuzije u dvosloju membrane

B. U kombinaciji s primarnim glasnikom, pridružuje se pojačivaču

B. Pokazuje enzimsku aktivnost u interakciji s primarnim glasnikom

G. Može stupiti u interakciju s G-proteinom

D. Interakcija s fosfolipazom C tijekom prijenosa signala Receptor:

1. Inzulin

2. Adrenalin

3. Steroidni hormon

5. Izvršite "lanac" zadatak:

A) peptidni hormoni djeluju s receptorima:

A. U citosolu stanice

B. Integralni proteini ciljnih staničnih membrana

B. U staničnoj jezgri

G. Kovalentno vezan na FIF 2

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

A. Hormon

B. Intermedijarni metaboliti

B. Drugi glasnici D. Nuklearni proteini

V) ove molekule mogu biti:

A. OZNAKA B. GTP

B. FIF 2 D. cAMP

G) aktiviraju:

A. Adenilat ciklaza

B. Ca 2+ -ovisan kalmodulin

B. Protein kinaza A D. Fosfolipaza C

e) ovaj enzim mijenja brzinu metaboličkih procesa u stanici tako što:

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

B. Aktivacija proteinfosfataze

D. Promjene u ekspresiji regulatornih proteinskih gena

6. Izvršite "lanac" zadatak:

A) vezanje 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 vezivanje 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 vjerojatnost vezanja na kompleks citosolnih proteina:

A. Kalmodulina B. Ras

B. PCS D. SOS

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

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

A. cAMP B. GTP

B. GDF G. ATP

e) ova tvar se zamjenjuje sa:

A. GDF B. AMP

B. cGMP D. GTP

i) vezanje nukleotida potiče interakciju "usidrenog" proteina s:

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. Smanjeni afinitet receptora za faktor rasta

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

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 stanice.

STANDARDI ODGOVORA NA "ZADATKE 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. Građa i funkcije membrana

2. Prijenos tvari kroz membrane

3. Strukturne značajke membranskih proteina

4. Transmembranski sustavi prijenosa signala (adenilat ciklaza, inozitol fosfat, gvanilat ciklaza, katalitički i intracelularni receptori)

5. Primarni glasnici

6. Sekundarni glasnici (posrednici)

ZADACI ZA AUDICIONI RAD

1. Pogledajte sl. 4.19 i ispunite sljedeće zadatke:

a) navesti način prijevoza;

b) postavite redoslijed događaja:

A. Cl - napušta stanicu duž koncentracijskog gradijenta

B. Protein kinaza A fosforilira R-podjedinicu kanala

B. Promjene konformacije R-podjedinice

D. Dolazi do kooperativnih konformacijskih promjena u membranskom proteinu

D. Aktivira se sustav adenilat ciklaze

Riža. 4.19. Funkcioniranje C1 - kanala intestinalnog endotela.

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

c) usporedite funkcioniranje Ca 2+ kanala membrane endoplazmatskog retikuluma i Cl - kanala intestinalne endotelne stanice ispunjavajući tablicu. 4.3.

Tablica 4.3. Načini reguliranja funkcioniranja kanala

Riješiti probleme

1. Kontrakcija srčanog mišića aktivira Ca 2+, čiji se sadržaj u citosolu stanice povećava zbog funkcioniranja cAMP-ovisnih nosača citoplazmatske membrane. S druge strane, koncentraciju cAMP u stanicama reguliraju dvije signalne molekule - adrenalin i acetilkolin. Štoviše, poznato je da adrenalin, u interakciji s β 2 -adrenergičkim receptorima, povećava koncentraciju cAMP u stanicama miokarda i stimulira minutni volumen srca, a acetilkolin, u interakciji s M 2 -kolinergičkim receptorima, smanjuje razinu cAMP i kontraktilnost miokarda. Objasnite zašto dva primarna glasnika, koristeći isti sustav prijenosa signala, izazivaju različite stanične reakcije. Za ovo:

a) prikazati shemu prijenosa signala za adrenalin i acetilkolin;

b) ukazuju na razliku u signalnim kaskadama ovih glasnika.

2. Acetilkolin, u interakciji s M 3 -kolinergičkim receptorima žlijezda slinovnica, stimulira otpuštanje Ca 2+ iz ER. Povećanje koncentracije Ca 2+ u citosolu osigurava egzocitozu sekretornih granula i oslobađanje elektrolita i male količine proteina u salivarni kanal. Objasnite kako su regulirani Ca 2+ kanali ER. Za ovo:

a) navedite drugog glasnika koji osigurava otvaranje ER Ca 2+ kanala;

b) napiši reakciju za nastanak drugog glasnika;

c) prikazati shemu transmembranskog prijenosa signala acetilkolina pri čijoj aktivaciji regulacijski ligand Ca 2+ -can-

3. Istraživači inzulinskih receptora identificirali su značajnu promjenu u genu za protein, jedan od supstrata inzulinskih receptora. Kako će poremećaj u strukturi ovog proteina utjecati na funkcioniranje inzulinskog signalnog sustava? Za odgovor na pitanje:

a) dati dijagram transmembranske signalizacije inzulina;

b) imenovati proteine ​​i enzime koji aktiviraju inzulin u ciljnim stanicama, naznačiti 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 = CH-CH 2 ] 2 -, koji je vezan za protein pomoću enzima farneziltransferaze tijekom posttranslacijske modifikacije. Trenutno su inhibitori ovog enzima podvrgnuti kliničkim ispitivanjima.

Zašto uporaba ovih lijekova oštećuje transdukciju signala faktora rasta? Za odgovor:

a) prikazati shemu prijenosa signala koji uključuje Ras proteine;

b) objasniti funkciju Ras proteina i posljedice neuspjeha njihove acilacije;

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

5. Steroidni hormon kalcitriol aktivira apsorpciju kalcija iz hrane povećanjem količine proteina nosača Ca 2+ u crijevnim stanicama. Objasnite mehanizam djelovanja kalcitriola. Za ovo:

a) dati opću shemu prijenosa signala steroidnih hormona i opisati njegovo funkcioniranje;

b) navedite proces koji aktivira hormon u jezgri ciljne stanice;

c) naznačiti u kojoj će matričnoj biosintezi sudjelovati molekule sintetizirane u jezgri i gdje se ona odvija.

Općenite ideje o putovima prijenosa signala

Za većinu regulacijskih molekula između njihovog vezanja na membranski receptor i konačnog odgovora stanice, tj. promjenom njegovog rada uglavljuje se složeni niz događaja - određeni putovi prijenosa signala, inače tzv putevi prijenosa signala.

Regulatorne tvari obično se dijele na endokrine, neurokrine i parakrine. Endokrini regulatori (hormoni) luče endokrine stanice u krv i njome prenose do ciljnih stanica, koje se mogu nalaziti bilo gdje u tijelu. neurokrini regulatore oslobađaju neuroni u neposrednoj blizini ciljnih stanica. parakrini tvari se oslobađaju malo dalje od meta, ali još uvijek dovoljno blizu njih da dođu do receptora. Parakrine tvari izlučuje jedna vrsta stanica, a djeluje na drugu, no u nekim slučajevima regulatori su usmjereni na stanice koje su ih izlučile ili susjedne stanice iste vrste. To se zove autokrini regulacija.

U nekim slučajevima, posljednja faza prijenosa signala sastoji se od fosforilacije određenih efektorskih proteina, što dovodi do povećanja ili inhibicije njihove aktivnosti, a to zauzvrat određuje stanični odgovor potreban tijelu. Provodi se fosforilacija proteina protein kinaza, i defosforilacije protein fosfataza.

Promjene u aktivnosti protein kinaze rezultat su vezanja regulatorne molekule (općenito nazvane ligand) sa svojim membranskim receptorom, koji pokreće kaskade događaja, od kojih su neki prikazani na slici (Sl. 2-1). Aktivnost različitih protein kinaza regulira receptor ne izravno, već putem sekundarni glasnici(sekundarni posrednici), a to su npr. ciklički AMP (cAMP), ciklički GMP (cGMP), Ca 2+, inozitol-1,4,5-trifosfat (IP 3) I diacilglicerol (DAG). U ovom slučaju, vezanje liganda na membranski receptor mijenja unutarstaničnu razinu drugog glasnika, što zauzvrat utječe na aktivnost protein kinaze. Mnogi regulatori-

nye molekule utječu stanični procesi putem putova prijenosa signala koji uključuju heterotrimerni GTP-vezujući proteini (heterotrimerni G-proteini) ili monomerni GTP-vezujući proteini (monomerni G-proteini).

Kada se molekule liganda vežu na membranske receptore koji stupaju u interakciju s heterotrimernim G proteinima, G protein se prebacuje u aktivno stanje vezanjem na GTP. Aktivirani G protein tada može komunicirati s mnogima efektorski proteini. posebno enzima kao što su adenilat ciklaza, fosfodiesteraza, fosfolipaze C, A 2 I D. Ova interakcija pokreće lance reakcija (Slika 2-1) koje rezultiraju aktivacijom različitih protein kinaza, kao što su protein kinaza A (PKA), protein kinaza G (PKG), protein kinaza C (PIS).

U u općim crtama put prijenosa signala koji uključuje G-proteine ​​- protein kinaze uključuje sljedeće korake.

1. Ligand se veže za receptor na staničnoj membrani.

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

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

4. Unutarstanična razina jednog ili više sekundarnih glasnika, kao što su cAMP, cGMP, Ca 2+, IP 3 ili DAG, raste ili pada.

5. Povećanje ili smanjenje koncentracije drugog glasnika utječe na aktivnost jedne ili više protein kinaza ovisnih o njemu, kao što su cAMP-ovisna protein kinaza (protein kinaza A), cGMP-ovisna protein kinaza (PCG), protein kinaza ovisna o kalmodulinu(CMPC), protein kinaza C. Promjena koncentracije drugog glasnika može aktivirati jedan ili drugi ionski kanal.

6. Razina fosforilacije enzima ili ionskog kanala se mijenja, što utječe na aktivnost ionskog kanala, uzrokujući konačni odgovor stanice.

Riža. 2-1. Neke kaskade događaja koji se ostvaruju u stanici zahvaljujući sekundarnim medijatorima.

Oznake: * - aktivirani enzim

Membranski receptori povezani s G proteinima

Membranski receptori koji posreduju u aktivaciji G-proteina ovisnoj o agonistu čine posebnu obitelj proteina s više od 500 članova. Uključuje α- i β-adrenergičke, muskarinske acetilkolin, serotonin, adenozin, olfaktorne receptore, rodopsin, kao i receptore za većinu peptidnih hormona. Članovi obitelji receptora povezanih s G proteinom imaju sedam transmembranskih α-spirala (Slika 2-2A), od kojih svaka sadrži 22-28 pretežno hidrofobnih aminokiselinskih ostataka.

Za neke ligande, kao što su acetilkolin, epinefrin, norepinefrin i serotonin, poznati su različiti podtipovi receptora vezanih na G protein. Često se razlikuju po afinitetu prema kompetitivnim agonistima i antagonistima.

Slijedi (slika 2-2 B) molekularna organizacija adenilat ciklaze, enzima koji proizvodi cAMP (prvi otkriveni drugi glasnik). Regulacijski put adenilat ciklaze smatra se klasičnim putem prijenosa signala posredovanim G-proteinom.

Adenilil ciklaza služi kao osnova za pozitivnu ili negativnu kontrolu putova prijenosa signala preko G proteina. U pozitivnoj kontroli, vezanje stimulirajućeg liganda, kao što je epinefrin, koji djeluje preko β-adrenergičkih receptora, dovodi do aktivacije heterotrimernih G proteina s α podjedinicom tipa as ("s" označava stimulaciju). Aktivacija Gs-tipa G proteina ligand-spregnutim receptorom uzrokuje da njegova podjedinica veže GTP i zatim se odvoji od βγ-dimera.

Slika 2-2B prikazuje kako fosfolipaza C cijepa fosfatidilinozitol 4,5-difosfat u inozitol-1,4,5-trifosfat i diacilglicerol. Obje tvari, inozitol-1,4,5-trifosfat i diacilglicerol, sekundarni su glasnici. IP3 se veže na specifične, o ligandu ovisne Ca 2+ kanale endoplazmatskog retikuluma i otpušta Ca 2+ iz njega; povećava koncentraciju Ca 2+ u citosolu. Diacilglicerol, zajedno s Ca 2+, aktivira drugu važnu klasu protein kinaza, protein kinazu C.

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

cGMP.

Riža. 2-2. Primjeri molekularne organizacije nekih struktura uključenih u putove prijenosa signala.

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

Heterotrimerni G proteini

Heterotrimerni G-protein sastoji se od tri podjedinice: α (40 000-45 000 Da), β (oko 37 000 Da) i γ (8 000-10 000 Da). Sada je poznato da oko 20 različitih gena kodira ove podjedinice, uključujući najmanje četiri gena β-podjedinice sisavaca i približno sedam gena γ-podjedinica sisavaca. 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 putovi transdukcije u koje su uključeni navedeni su u tablici 1. 2-1.

Heterotrimerni G proteini posreduju između receptora plazma membrane za više od 100 izvanstaničnih regulatornih tvari i unutarstaničnih procesa koje kontroliraju. Općenito govoreći, vezanje regulatorne tvari na njezin receptor aktivira G protein, koji ili aktivira ili inhibira enzim i/ili uzrokuje niz događaja koji dovode do aktivacije određenih ionskih kanala.

Na sl. 2-3 prikazano opći princip rad heterotrimernih G-proteina. U većini G proteina, α podjedinica je "radna jedinica" heterotrimernih G proteina. Aktivacija većine G proteina rezultira konformacijskom promjenom ove podjedinice. Neaktivni G proteini postoje uglavnom u obliku αβγ heterotrimera,

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

Rad nekih ionskih kanala izravno je moduliran G-proteinima; bez sudjelovanja sekundarnih glasnika. Na primjer, vezanje acetilkolina na muskarinske M2 receptore u srcu i nekim neuronima dovodi do aktivacije posebne klase K+ kanala. U ovom slučaju, vezanje acetilkolina na muskarinske receptore dovodi do aktivacije G proteina. Njegova aktivirana α-podjedinica zatim se odvaja od βγ-dimera, a βγ-dimer izravno stupa u interakciju s posebnom klasom K + kanala, dovodeći ih u otvoreno stanje. Vezanje acetilkolina na muskarinske receptore, što povećava K + vodljivost stanica pacemakera u sinoatrijalnom čvoru srca, jedan je od glavnih mehanizama kojim parasimpatički živci izazvati smanjenje broja otkucaja srca.

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

Tablica 2-1.Neki heterotrimerni GTP-vezujući proteini sisavaca klasificirani na temelju njihovih α-podjedinica*

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

Monomerni G proteini

Stanice sadrže drugu obitelj GTP-vezujućih proteina tzv monomerni GTP-vezujući proteini. Također su poznati kao G-proteini niske molekularne težine ili male G proteine(molekulska težina 20 000-35 000 Da). Tablica 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 prijenosa signala u fazi prijenosa signala od tirozin kinaze receptora faktora rasta do intracelularnih efektora. Među procesima reguliranim putovima prijenosa signala, u koje su uključeni monomerni GTP-vezujući proteini, spada produljenje polipeptidnog lanca tijekom sinteze proteina, proliferacija i diferencijacija stanica, njihova maligna transformacija, kontrola aktinskog citoskeleta, komunikacija između citoskeleta

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

Monomerni GTP-vezujući proteini, kao i njihovi heterotrimerni parnjaci, molekularni su prekidači koji postoje u dva oblika - aktivirani "on" i inaktivirani "off" (Slika 2-4 B). Međutim, aktivacija i inaktivacija monomernih GTP-vezujućih proteina zahtijeva dodatne regulatorne proteine, koji, koliko znamo, nisu potrebni za rad heterotrimernih G-proteina. Aktiviraju se monomerni G proteini proteini koji otpuštaju guanin-nukleotide, ali su inaktivirani Proteini koji aktiviraju GTPazu. Stoga je aktivacija i inaktivacija monomernih GTP-vezujućih proteina kontrolirana signalima koji mijenjaju aktivnost proteini koji oslobađaju gvanin-nukleotide ili Proteini koji aktiviraju GTPazu nego izravnim djelovanjem na monomerne G-proteine.

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

Tablica 2-2.Podfamilije monomernih GTP-vezujućih proteina i neki unutarstanični procesi regulirani njima

Mehanizam rada heterotrimernih G-proteina

Neaktivni G proteini postoje prvenstveno u obliku αβγ heterotrimera, s GDP-om na njihovim nukleotidnim vezanim pozicijama (Slika 2-5A). Interakcija heterotrimernih G-proteina s receptorom vezanim za ligand dovodi do transformacije α-podjedinice u aktivni oblik, koji ima povećani afinitet za GTP i smanjeni afinitet za βγ-kompleks (Sl. 2-5 B ). U većini heterotrimernih G proteina, α-podjedinica je struktura za prijenos informacija. Aktivacija većine G proteina dovodi do konformacijske promjene u α podjedinici.

Kao rezultat toga, aktivirana α-podjedinica oslobađa GDP, pričvršćuje 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 s efektorskim proteinima (E 1) u putu prijenosa signala (Slika 2-5D). Međutim, u nekim G proteinima, oslobođeni βγ-dimer može biti odgovoran za sve ili neke od učinaka kompleksa receptor-ligand. Tada βγ-dimer stupa u interakciju s efektorskim proteinom E 2 (Sl. 2-5 E). Nadalje je pokazano da članovi RGS obitelji G-proteina stimuliraju hidrolizu GTP (Slika 2-5 E). Ovo deaktivira α podjedinicu i kombinira sve podjedinice u αβγ heterotrimer.

Riža. 2-5. Ciklus rada heterotrimernog G-proteina, koji pokreće daljnji lanac događaja uz pomoć svojihα -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 s različitim G proteinima i njihove molekularne mete. Adenilat ciklaza je osnova za pozitivnu ili negativnu kontrolu putova prijenosa signala koji su posredovani G proteinima. U pozitivnoj kontroli, vezanje stimulirajućeg liganda, kao što je norepinefrin, koji djeluje preko β-adrenergičkih receptora, dovodi do aktivacije heterotrimernih G proteina s α-podjedinicom tipa α-S ("s" označava stimulaciju). Stoga se takav G protein naziva G protein G S tipa. Aktivacija G s -tipa G proteina ligand-spregnutim receptorom uzrokuje da njegova α s podjedinica veže GTP i zatim se odvoji od β γ dimera.

Ostale regulatorne tvari, kao što je epinefrin, koji djeluje preko α 2 receptora, ili adenozin, koji djeluje preko α 1 receptora, ili dopamin, koji djeluje preko D 2 receptora, uključeni su u negativnu ili inhibicijsku kontrolu adenilat ciklaze. Ove regulatorne tvari aktiviraju proteine ​​G i tipa G koji imaju α podjedinicu tipa α i ("i" označava inhibiciju). Vezanje inhibitornog liganda za svoj

receptor aktivira G i -tip G-proteina i uzrokuje disocijaciju njegove α i -podjedinice od βγ-dimera. Aktivirana α i -podjedinica veže se za adenilat ciklazu i inhibira njezinu aktivnost. Osim toga, βγ-dimeri mogu vezati slobodne α s -podjedinice. Na taj način, vezanje βγ-dimera na slobodnu α s podjedinicu dodatno potiskuje stimulaciju adenilat ciklaze blokiranjem djelovanja stimulacijskih liganada.

Druga klasa izvanstaničnih agonista (Sl. 2-6 A) veže se na receptore koji aktiviraju, preko G proteina nazvanog G q, β-izoformu fosfolipaze C. On cijepa fosfatidilinozitol-4,5-difosfat (fosfolipid prisutan u malim količine u plazma membrani) u inozitol-1,4,5-trifosfat i diacilglicerol, koji su sekundarni glasnici. IP 3 se veže na specifične ligand-ovisne Ca 2+ kanale endoplazmatskog retikuluma i otpušta Ca 2+ iz njega; povećava koncentraciju Ca 2+ u citosolu. Ca 2+ kanali endoplazmatskog retikuluma uključeni su u elektromehaničko spajanje u skeletnom i srčanom mišiću. Diacilglicerol zajedno s Ca 2+ aktivira protein kinazu C. Njegovi supstrati uključuju, na primjer, proteine ​​uključene u regulaciju stanične diobe.

Riža. 2-6. Primjeri putova prijenosa signala kroz heterotrimerne G proteine.

A - u tri navedena primjera, vezanje neurotransmitera na receptor dovodi do aktivacije G-proteina i kasnijeg uključivanja putova drugog glasnika. Gs, Gq i Gi znače tri različite vrste heterotrimernih G proteina. B - regulacija staničnih proteina fosforilacijom dovodi do povećanja ili inhibicije njihove aktivnosti, a to zauzvrat određuje stanični odgovor potreban tijelu. Fosforilaciju proteina provode protein kinaze, a defosforilaciju protein fosfataze. Protein kinaza prenosi fosfatnu skupinu (Pi) s ATP-a na serinske, treoninske ili tirozinske ostatke proteina. Ova fosforilacija reverzibilno mijenja strukturu i funkciju staničnih proteina. Obje vrste enzima, kinaze i fosfataze, regulirane su različitim unutarstaničnim sekundarnim glasnicima.

Aktivacijski putevi za intracelularne protein kinaze

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

Slika 2-7A prikazuje aktivaciju heterotrimernih G s -tipa G proteina s α s tipom α podjedinice, koja nastaje zbog vezanja na ligand receptora i dovodi do činjenice da α s -podjedinica G s -tipa G proteini vežu GTP i zatim se odvajaju od βγ-dimera, a zatim stupaju u interakciju s adenilat ciklaza. To dovodi do povećanja razine cAMP i aktivacije PKA.

Slika 2-7B prikazuje aktivaciju heterotrimernih G t -tipa G proteina s α t tipom α podjedinice, koja nastaje zbog vezanja na ligand receptora i dovodi do činjenice da α t -podjedinica G t -tipa G proteini se aktiviraju i zatim disociraju od βγ-dimera, a zatim stupaju u interakciju s fosfodiesteraza. To dovodi do povećanja razine cGMP-a i aktivacije PKG-a.

α 1 katekolaminski receptor stupa u interakciju s G αq podjedinicom, koja aktivira fosfolipazu C. Slika 2-7B prikazuje aktivaciju heterotrimernih G αq -tip G proteina s α q tipom α-podjedinice, što se događa zbog vezanja liganda na receptor i dovodi do toga da se α q -podjedinica G-proteina G αq -tipa aktivira i zatim disocira od βγ-dimera, a zatim stupa u interakciju s fosfolipaza C. On cijepa fosfatidilinozitol-4,5-difosfat na IP 3 i DAG. To rezultira povećanjem razine IP 3 i DAG. IP 3 , vezanje na specifične Ca 2+ kanale endoplazmatskog retikuluma ovisne o ligandu,

iz njega oslobađa Ca 2+. DAG uzrokuje aktivaciju protein kinaze C. U nestimuliranoj stanici značajna količina ovog enzima nalazi se u citosolu u neaktivnom obliku. Ca 2+ uzrokuje vezanje protein kinaze C na unutarnju površinu plazma membrane. Ovdje se enzim može aktivirati dijacilglicerolom, koji nastaje tijekom hidrolize fosfatidilinozitol-4,5-difosfata. Membranski fosfatidilserin također može biti aktivator protein kinaze C ako se enzim nalazi u membrani.

Opisano je oko 10 izoformi protein kinaze C. Iako su neke od njih prisutne u mnogim stanicama sisavaca, podtipovi γ i ε nalaze se uglavnom u stanicama središnjeg živčanog sustava. Podtipovi protein kinaze C razlikuju se ne samo u distribuciji u tijelu, već, očito, u mehanizmima regulacije njihove aktivnosti. Neki od njih u nestimuliranim stanicama povezani su s plazma membranom; ne zahtijevaju povećanje koncentracije Ca 2+ za aktivaciju. Neke izoforme protein kinaze C aktiviraju arahidonska kiselina ili druge nezasićene masne kiseline.

Početna kratkotrajna aktivacija protein kinaze C događa se pod djelovanjem diacilglicerola, koji se oslobađa kada se aktivira fosfolipaza C β, a također i pod utjecajem Ca 2+ koji se iz intracelularnog skladišta oslobađa IP 3 . Dugotrajnu aktivaciju protein kinaze C pokreću fosfolipaze A 2 i D ovisne o receptoru. One prvenstveno djeluju na fosfatidilkolin, glavni membranski fosfolipid. Fosfolipaza A 2 izdvaja iz njega masnu kiselinu na drugom položaju (obično nezasićenu) i lizofosfatidilkolin. Oba ova produkta aktiviraju određene izoforme protein kinaze C. Fosfolipaza D ovisna o receptoru cijepa fosfatidilkolin u fosfatidnu kiselinu i kolin. Fosfatidna kiselina se dalje cijepa na diacilglicerol, koji je uključen u dugotrajnu stimulaciju protein kinaze C.

Riža. 2-7 (prikaz, ostalo). 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 putovi

U nedostatku cAMP-a, cAMP-ovisna protein kinaza (protein kinaza A) sastoji se od četiri podjedinice: dvije regulatorne i dvije katalitičke. U većini tipova stanica katalitička podjedinica je ista, dok su regulatorne podjedinice vrlo specifične. Prisutnost regulatornih podjedinica gotovo potpuno potiskuje enzimsku aktivnost kompleksa. Stoga bi aktivacija enzimske aktivnosti cAMP-ovisne protein kinaze trebala uključivati ​​odvajanje regulatornih podjedinica od kompleksa.

Aktivacija se događa u prisutnosti mikromolarnih koncentracija cAMP. Svaka regulatorna podjedinica veže dvije svoje molekule. Vezanje cAMP-a izaziva konformacijske promjene u regulatornim podjedinicama i smanjuje afinitet njihove interakcije s katalitičkim podjedinicama. Kao rezultat toga, regulatorne podjedinice se odvajaju od katalitičkih podjedinica, a katalitičke podjedinice se aktiviraju. Aktivna katalitička podjedinica fosforilira ciljane proteine ​​na određenim ostacima serina i treonina.

Usporedba aminokiselinskih sekvenci cAMP-ovisnih i drugih klasa protein kinaza pokazuje da su, unatoč velikim razlikama u njihovim regulatornim svojstvima, svi ti enzimi visoko homologni u primarnoj strukturi srednjeg dijela. Ovaj dio sadrži ATP-veznu domenu i aktivno mjesto enzima, koji osigurava prijenos fosfata od ATP-a do akceptorskog proteina. Dionice kinaza izvan ove katalitičke jezgre proteina uključene su u regulaciju aktivnosti kinaze.

Također je određena kristalna struktura katalitičke podjedinice cAMP-ovisne protein kinaze. katalitički srednji dio molekula, koja je prisutna u svim poznatim protein kinazama, sastoji se od dva dijela. Manji udio sadrži neobično mjesto vezanja ATP-a, dok veći udio sadrži mjesto vezanja peptida. Mnoge protein kinaze također sadrže regulatornu regiju poznatu kao pseudosupstratna domena. Prema slijedu aminokiselina nalikuje fosforiliranim regijama supstratnih proteina. Pseudosupstratna domena, vezanjem na aktivno mjesto protein kinaze, inhibira fosforilaciju pravih supstrata protein kinaze. Aktivacija kinaze može uključivati ​​fosforilaciju ili nekovalentnu alosteričku modifikaciju protein kinaze da se eliminira inhibicijski učinak pseudosupstratne domene.

Riža. 2-8. cAMP-ovisna protein kinaza A i ciljevi.

Kada se epinefrin veže na odgovarajući receptor, aktivacija α s podjedinice stimulira adenilat ciklazu s povećanjem razine cAMP. cAMP aktivira protein kinazu A, koja fosforilacijom ima tri glavna učinka. (1) Protein kinaza A aktivira glikogen fosforilazu 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 time inhibira fosfatazu. Ukupni učinak je koordinacija promjena u razinama glukoze.

Oznake: UDP-glukoza - uridin difosfat glukoza

Hormonska regulacija aktivnosti adenilat ciklaze

Slika 2-9A prikazuje glavni mehanizam stimulacije i inhibicije adenilat ciklaze izazvane hormonima. Interakcija liganda s receptorom povezanim s α podjedinicom tipa α s (stimulatorna) uzrokuje aktivaciju adenilat ciklaze, dok interakcija liganda s receptorom) povezanom s podjedinicom α i tipa α (inhibitorna) uzrokuje inhibiciju enzim. G βγ podjedinica je identična iu stimulacijskim i inhibitornim G proteinima. G α -podjedinice i receptori su različiti. Ligandom stimulirana formacija aktivnih G α GTP kompleksa događa se preko istih mehanizama u G αs i G αi proteinima. Međutim, G αs GTP i G αi GTP međusobno djeluju različito s adenilat ciklazom. Jedan (G αs GTP) stimulira, a drugi G αi GTP) inhibira njegovu katalitičku aktivnost.

Slika 2-9B prikazuje mehanizam aktivacije i inhibicije adenilat ciklaze induciran određenim hormonima. β 1 -, β 2 - i D 1 -receptori stupaju u interakciju s podjedinicama koje aktiviraju adenilat ciklazu i povećavaju razinu cAMP. α 2 i D 2 receptori stupaju u interakciju s G αi podjedinicama, koje inhibiraju adenilat ciklazu. (Što se tiče α 1 receptora, on je u interakciji s G podjedinicom, koja aktivira fosfolipazu C.) Razmotrite jedan od primjera prikazanih na slici. Adrenalin se veže za β 1 ​​receptor, što dovodi do aktivacije G αs proteina, koji stimulira adenilat ciklazu. To dovodi do porasta intracelularne razine cAMP, a time i pojačava aktivnost PKA. S druge strane, norepinefrin se veže za α 2 receptor, što dovodi do aktivacije G αi proteina, koji inhibira adenilat ciklazu i time smanjuje unutarstaničnu razinu cAMP, smanjujući aktivnost PKA.

Riža. 2-9 (prikaz, ostalo). Ligandom (hormonom) inducirana aktivacija i inhibicija adenilat ciklaze.

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

Protein kinaza C i srodni signalni putovi

α 1 receptor stupa u interakciju s G αq podjedinicom G proteina, koja aktivira fosfolipazu C. Fosfolipaza C cijepa fosfatidilinozitol 4,5-difosfat na IP 3 i DAG. IP 3 se veže na specifične ligand-ovisne Ca 2+ kanale endoplazmatskog retikuluma i otpušta Ca 2+ iz njega; povećava koncentraciju Ca 2+ u citosolu. DAG uzrokuje aktivaciju protein kinaze C. U nestimuliranoj stanici ovaj je enzim u citosolu u neaktivnom stanju.

oblik. Ako citosolna razina Ca 2+ raste, Ca 2+ stupa u interakciju s protein kinazom C, što dovodi do vezanja protein kinaze C na unutarnju površinu stanične membrane. U tom položaju enzim se aktivira dijacilglicerolom koji nastaje tijekom hidrolize fosfatidilinozitol-4,5-difosfata. Membranski fosfatidilserin također može biti aktivator protein kinaze C ako se enzim nalazi u membrani.

Tablica 2-3 navodi izoforme protein kinaze C kod sisavaca i svojstva tih izoformi.

Tablica 2-3.Svojstva izoformi protein kinaze C sisavaca

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

Riža. 2-10 (prikaz, stručni). Diacilglicerol/inozitol-1,4,5-trifosfat signalni putovi

Fosfolipaze i srodni signalni putovi na primjeru arahidonske kiseline

Neki agonisti, preko G proteina, aktiviraju fosfolipaza A 2, koji djeluje na membranske fosfolipide. Produkti njihovih reakcija mogu aktivirati protein kinazu C. Konkretno, fosfolipaza A 2 odvaja masnu kiselinu koja se nalazi na drugom mjestu od fosfolipida. Zbog činjenice da neki fosfolipidi sadrže arahidonsku kiselinu na tom mjestu, cijepanjem fosfolipaze A 2 otpuštaju se značajne količine.

Gore opisani signalni put arahidonske kiseline povezan s fosfolipazom A2 naziva se izravnim. neizravan način aktivacija arahidonske kiseline povezana je s fosfolipazom C β .

Sama arahidonska kiselina je efektorska molekula, a osim toga, služi kao prekursor za unutarstaničnu sintezu prostaglandini, prostaciklini, tromboksani I leukotrijeni- važne klase regulacijskih molekula. Arahidonska kiselina također nastaje iz produkata razgradnje diacilglicerola.

Prostaglandini, prostaciklini i tromboksani se sintetiziraju iz arahidonske kiseline. put ovisan o ciklooksigenazi i leukotrijeni 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.

Riža. 2-11 (prikaz, stručni). Signalni putovi arahidonske kiseline.

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

Kalmodulin: struktura i funkcije

Mnogi vitalni stanični procesi, uključujući otpuštanje neurotransmitera, lučenje hormona i kontrakciju mišića, regulirani su citosolnim razinama Ca 2+. Jedan od načina na koji ovaj ion utječe na stanične procese je njegovo vezanje na kalmodulin.

Kalmodulin- protein molekulske mase 16 700 (slika 2-12 A). Prisutan je u svim stanicama, ponekad čineći i do 1% njihovog ukupnog sadržaja proteina. Kalmodulin veže četiri iona kalcija (Sl. 2-12 B i C), nakon čega ovaj kompleks regulira aktivnost različitih unutarstaničnih proteina, od kojih mnogi nisu povezani s protein kinazama.

Kompleks Ca 2+ s kalmodulinom također aktivira protein kinaze ovisne o kalmodulinu. Specifične protein kinaze ovisne o kalmodulinu fosforiliraju specifične efektorske proteine, kao što su regulacijski laki lanci miozina, fosforilaza i faktor elongacije II. Multifunkcionalne protein kinaze ovisne o kalmodulinu fosforiliraju brojne nuklearne, citoskeletne ili membranske proteine. Neke protein kinaze ovisne o kalmodulinu, kao što je kinaza

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

Kalmodulin-ovisna protein kinaza II pripada glavnim proteinima živčanog sustava. U nekim dijelovima mozga čini i do 2% ukupnih proteina. Ova kinaza je uključena u mehanizam kojim povećanje koncentracije Ca 2+ u živčanom završetku uzrokuje otpuštanje neurotransmitera egzocitozom. Njegov glavni supstrat je protein tzv sinapsin I prisutni u živčanim završecima i povezani s vanjskom površinom sinaptičkih vezikula. Kada je sinapsin I vezan za vezikule, on sprječava egzocitozu. Fosforilacija sinapsina I uzrokuje njegovo odvajanje od vezikula, omogućujući im da otpuste neurotransmiter u sinaptičku pukotinu egzocitozom.

Kinaza lakog lanca miozina igra važnu ulogu u regulaciji kontrakcije glatkih mišića. Povećanje citosolne koncentracije Ca 2+ u glatkim mišićnim stanicama aktivira kinazu lakog lanca miozina. Fosforilacija regulacijskih lakih lanaca miozina dovodi do produljene kontrakcije glatkih mišićnih stanica.

Riža. 2-12 (prikaz, ostalo). Kalmodulin.

A - kalmodulin bez kalcija. B - vezanje kalcija na kalmodulin i ciljni peptid. B - shema povezivanja.

Oznake: EF - Ca 2+ -vezne domene kalmodulina

Receptori s vlastitom enzimskom aktivnošću (katalitički receptori)

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

Jedan od karakterističnih primjera transmembranskih receptori s aktivnošću gvanilat ciklaze, receptor atrijalnog natriuretskog peptida (ANP). Membranski receptor na koji se veže ANP neovisan je o razmatranim sustavima prijenosa signala. Gore je opisano djelovanje izvanstaničnih agonista koji, vezanjem na 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 stimuliranu vezanjem ANP na receptor.

ANP receptori imaju izvanstaničnu ANP veznu domenu, jednu transmembransku spiralu i unutarstaničnu domenu gvanilat ciklaze. Vezanje ANP-a za receptor povećava unutarstaničnu razinu cGMP-a, koji stimulira cGMP-ovisnu protein kinazu. Za razliku od cAMP-ovisne protein kinaze, koja ima regulatorne i katalitičke podjedinice, regulatorna i katalitička domena cGMP-ovisne protein kinaze nalaze se na istom polipeptidnom lancu. cGMP-ovisna kinaza potom fosforilira unutarstanične proteine, što dovodi do različitih staničnih odgovora.

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

Druga obitelj membranskih receptora koji nisu povezani s G-proteinima sastoji se od proteina s vlastitom aktivnošću tirozin-protein kinaze. Receptori s vlastitom aktivnošću tirozin-protein kinaze su proteini s glikoziliranom izvanstaničnom domenom, jedini

transmembranska regija i intracelularna domena s aktivnošću tirozin-protein kinaze. Na primjer, vezanje agonista za njih faktor rasta živaca (NGF), stimulira aktivnost tirozin-protein kinaze, koja fosforilira specifične efektorske proteine ​​na određenim tirozinskim ostacima. Većina receptora faktora rasta dimerizira kada se NGF veže na njih. To je dimerizacija receptora koja dovodi do pojave aktivnosti tirozin protein kinaze u njemu. Aktivirani receptori se često sami fosforiliraju, što se naziva autofosforilacija.

Nadobitelji peptidni receptori koji se nazivaju inzulinski receptori. Također je tirozin protein kinaza. U potklasi receptora koji pripadaju obitelji inzulinskih receptora, ne-ligandni receptor postoji kao disulfidno vezan dimer. Interakcija s inzulinom dovodi do konformacijskih promjena u oba monomera, što povećava vezanje inzulina, aktivira receptorsku tirozin kinazu i dovodi do povećane autofosforilacije receptora.

Vezanje hormona ili čimbenika rasta na njegov receptor pokreće različite stanične reakcije, uključujući ulazak Ca 2+ u citoplazmu, povećan metabolizam Na + /H +, stimulaciju unosa 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 izravno kao protein kinaze. Međutim, nakon aktivacije ti receptori stvaraju signalne komplekse s unutarstaničnim tirozin protein kinazama, koje pokreću njihove unutarstanične učinke. Zato oni nisu pravi receptori s vlastitom aktivnošću tirozin-protein kinaze, već se jednostavno vežu za njih.

Na temelju građe može se pretpostaviti da transmembranski tirozin-protein fosfataza su također receptori, a njihova aktivnost tirozin-protein fosfataze modulirana je izvanstaničnim ligandima.

Riža. 2-13 (prikaz, stručni). katalitičke receptore.

A - receptor guanilciklaze, B - receptor s aktivnošću serin-treonin kinaze, C - receptor s vlastitom aktivnošću tirozin-protein kinaze, D - receptori povezani s aktivnošću tirozin-protein kinaze

Tirozin-protein kinaze povezane s receptorom na primjeru interferonskih receptora

Interferonski receptori nisu izravno protein kinaze. Nakon aktivacije, ti receptori stvaraju signalne komplekse s unutarstaničnim tirozin protein kinazama koje pokreću njihove unutarstanične učinke. To jest, oni nisu pravi receptori s vlastitom aktivnošću tirozin-protein kinaze, već se jednostavno vežu na njih. Takvi se receptori nazivaju tirozin protein kinaze povezane s receptorom (ovisne o receptoru).

Mehanizmi kojima ti receptori djeluju pokreću se kada se hormon veže za receptor, uzrokujući njegovu dimerizaciju. Dimer receptora veže jedan ili više članova Janus-obitelj tirozin protein kinaza (JAK). JAK zatim križ

međusobno fosforiliraju, kao i receptor. Članovi obitelji pretvarača signala i aktivatora transkripcije (STAT) vežu fosforilirane domene na kompleks receptor-JAK. STAT proteini su fosforilirani JAK kinazama i zatim se odvajaju od signalnog kompleksa. U konačnici, fosforilirani STAT proteini tvore dimere koji se kreću prema jezgri kako bi aktivirali transkripciju određenih gena.

Specifičnost receptora za svaki hormon djelomično ovisi o specifičnosti članova obitelji JAK ili STAT koji se kombiniraju da tvore signalni kompleks. U nekim slučajevima, signalni kompleks također aktivira kaskadu kinaze MAP-(mitogen-aktivirajući protein) preko adapterskih proteina koje koriste receptorske tirozin kinaze. Neki od odgovora liganda receptora tirozin kinaze također uključuju JAK i STAT puteve.

Riža. 2-14 (prikaz, ostalo). 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 transdukcijski putovi

Ligand, kao što je faktor rasta, veže se na receptor koji ima vlastitu aktivnost tirozin protein kinaze, što rezultira povećanjem transkripcije u procesu od 10 koraka. Ras-slični monomerni GTP-vezujući proteini sudjeluju u putu prijenosa signala u fazi prijenosa signala od receptora s vlastitom aktivnošću tirozin-protein kinaze (na primjer, receptori faktora rasta) do unutarstaničnih efektora. Aktivacija i inaktivacija monomernih GTP-vezujućih proteina zahtijeva dodatne regulatorne proteine. Monomerne G proteine ​​aktiviraju proteini koji otpuštaju gvanin nukleotid (GNRP), a inaktiviraju proteini koji aktiviraju GTPazu (GAP).

Monomerni GTP-vezujući proteini iz obitelji Ras posreduju u vezanju mitogenih liganada i njihovih receptora tirozin-protein kinaze, što pokreće unutarstanične procese koji vode do stanične proliferacije. Kada su Ras proteini neaktivni, stanice ne reagiraju na faktore rasta koji djeluju preko receptora tirozin kinaze.

Ras aktivacija pokreće put prijenosa signala koji u konačnici dovodi do transkripcije određenih gena koji potiču rast stanica. Kaskada MAP kinaze (MAPK) uključena je u odgovore kada je Ras aktiviran. Protein kinaza C također aktivira kaskadu MAP kinaze. Dakle, kaskada MAP kinaze je važna točka konvergencija za razne učinke koji uzrokuju proliferaciju stanica. Štoviše, postoji križanje između protein kinaze C i tirozin kinaze. Na primjer, γ izoforma fosfolipaze C aktivira se vezanjem na aktivirani Ras protein. Ta se aktivacija prenosi na protein kinazu C tijekom stimulacije hidrolize fosfolipida.

Slika 2-15 prikazuje mehanizam s 10 koraka.

1. Vezanje liganda dovodi do dimerizacije receptora.

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

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

4.GRB 2 vezanje uključuje SOS (sin sedmero djece) zamjenski protein guanine nucleotide.

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

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

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

8.MEK fosforilira MAP kinazu (MAPK), što također uzrokuje izvanstanični signal - regulatorna kinaza (ERK 1 , ERK 2). Aktivacija MAPK zahtijeva dvostruku fosforilaciju na susjednim ostacima serina i tirozina.

9. MAPK služi kao kritična efektorska molekula u Ras-ovisnoj transdukciji signala jer fosforilira mnoge stanične proteine ​​nakon mitogene stimulacije.

10. Aktivirani MAPK prenosi se u jezgru, gdje fosforilira transkripcijski faktor. Općenito, aktivirani Ras aktivira MAP

povezujući se s njim. Ova kaskada rezultira fosforilacijom i aktivacijom MAP kinaze, koja zauzvrat fosforilira faktore transkripcije, proteinske supstrate i druge proteinske kinaze važne za diobu stanice i druge odgovore. Ras aktivacija ovisi o adaptorskim proteinima koji se vežu na fosfotirozinske domene na receptorima aktiviranim faktorom rasta. Ovi adapterski proteini se pričvršćuju i aktiviraju GNRF (protein izmjene guanin nukleotida), koji aktivira Ras.

Riža. 2-15 (prikaz, stručni). Regulacija transkripcije Ras-sličnim monomernim G-proteinima potaknutim iz receptora s vlastitom aktivnošću tirozin-protein kinaze

Regulacija transkripcije pomoću cAMP-ovisnog DNA element-interacting proteina (CREB)

CREB, široko rasprostranjeni transkripcijski faktor, obično je povezan s regijom DNK koja se naziva CRE (cAMP element odgovora). U nedostatku stimulacije, CREB se defosforilira i ne utječe na transkripciju. Brojni putovi prijenosa signala putem aktivacije kinaza (kao što su PKA, Ca 2+ /kalmodulin kinaza IV, MAP kinaza) rezultiraju fosforilacijom CREB. Fosforilirani CREB se veže CBP(CREB-vezujući protein- CREB-vezujući protein), koji ima domenu koja stimulira transkripciju. Paralelno, fosforilacija aktivira PP1

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

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

Slika 2-15 također prikazuje strukturu cAMP-ovisne PKA, koja se u nedostatku cAMP-a sastoji od četiri podjedinice: dvije regulatorne i dvije katalitičke. Prisutnost regulatornih podjedinica inhibira enzimsku aktivnost kompleksa. Vezanje cAMP-a izaziva konformacijsku promjenu u regulacijskim podjedinicama, što rezultira odvajanjem regulacijskih podjedinica od katalitičkih. Katalitički PKA ulaze u jezgru stanice i započinju gornji proces.

Riža. 2-16 (prikaz, ostalo). Regulacija transkripcije gena pomoću CREB (vezni protein cAMP elementa odgovora) kroz povećanje razine cikličkog adenozin monofosfata