Ormoni. Cos'è questo?

Nomenclatura e classificazione degli ormoni

Principi di trasmissione del segnale ormonale alle cellule bersaglio

ormoni idrofili

Metabolismo degli ormoni peptidici

Inattivazione e degradazione

Meccanismo d'azione degli ormoni idrofili

Secondi messaggeri

AMP ciclico

Il ruolo degli ioni calcio

I principali rappresentanti degli ormoni idrofili

Istamina

Serotonina

Melatonina

ormoni catecolaminici

Ormoni peptidici e proteici

Tireotropina

Insulina

Glucagone

Gastrina

Conclusione

Bibliografia

Ormoni. Cos'è questo?

Gli ormoni sono sostanze di segnalazione prodotte nelle cellule delle ghiandole endocrine. Dopo la sintesi, gli ormoni entrano nel flusso sanguigno e vengono trasferiti agli organi bersaglio, dove svolgono determinate funzioni regolatrici biochimiche e fisiologiche.

Ogni ormone è l'anello centrale in un complesso sistema di regolazione ormonale. Gli ormoni sono sintetizzati sotto forma di precursori, pro-ormoni, e sono spesso depositati in cellule specializzate delle ghiandole endocrine. Da qui, entrano nel flusso sanguigno come metabolicamente necessario. La maggior parte degli ormoni viene trasportata sotto forma di complessi con proteine ​​plasmatiche, i cosiddetti trasportatori ormonali, e il legame con i trasportatori è reversibile. Gli ormoni vengono scomposti da appositi enzimi, di solito nel fegato. Infine, gli ormoni ei loro prodotti di degradazione vengono espulsi dal corpo dal sistema escretore, solitamente dai reni. Tutti questi processi influenzano la concentrazione di ormoni e la segnalazione di controllo.

Negli organi bersaglio ci sono cellule che trasportano recettori che possono legare gli ormoni e quindi percepire un segnale ormonale. Dopo il legame con l'ormone, i recettori trasmettono informazioni alla cellula e avviano una catena di reazioni biochimiche che determinano la risposta cellulare all'azione dell'ormone.

Gli ormoni sono utilizzati nel corpo per mantenere la sua omeostasi, nonché per regolare molte funzioni (crescita, sviluppo, metabolismo, risposta ai cambiamenti delle condizioni ambientali).

Nomenclatura e classificazione degli ormoni

La natura chimica di quasi tutti gli ormoni conosciuti è stata chiarita in dettaglio (compresa la struttura primaria degli ormoni proteici e peptidici), ma finora non sono stati sviluppati principi generali per la loro nomenclatura. I nomi chimici di molti ormoni riflettono accuratamente la loro struttura chimica e sono molto ingombranti. Pertanto, i nomi banali degli ormoni sono più spesso usati. La nomenclatura accettata indica la fonte dell'ormone (ad esempio, insulina - dal latino insula - isolotto) o riflette la sua funzione (ad esempio, prolattina, vasopressina). Per alcuni ormoni ipofisari (ad esempio luteinizzante e follicolo-stimolante), così come per tutti gli ormoni ipotalamici, sono stati sviluppati nuovi nomi operativi.

Una situazione simile esiste per quanto riguarda la classificazione degli ormoni. Gli ormoni sono classificati in base al luogo della loro sintesi naturale, in base al quale si distinguono gli ormoni dell'ipotalamo, della ghiandola pituitaria, della tiroide, delle ghiandole surrenali, del pancreas, delle gonadi, del gozzo, ecc. classificazione anatomica non abbastanza perfetto, perché alcuni ormoni sono sintetizzati nelle ghiandole sbagliate secrezione interna, da cui vengono secreti nel sangue (ad esempio, gli ormoni dell'ipofisi posteriore, la vasopressione e l'ossitocina sono sintetizzati nell'ipotalamo, da dove vengono trasferiti all'ipofisi posteriore), o sono sintetizzati in altre ghiandole (ad esempio, la sintesi parziale degli ormoni sessuali viene effettuata nella corteccia surrenale, la sintesi delle prostaglandine avviene non solo nella ghiandola prostatica, ma anche in altri organi), ecc. Date queste circostanze, si è tentato di creare una moderna classificazione degli ormoni basata sulla loro natura chimica. In accordo con questa classificazione, si distinguono tre gruppi di veri ormoni:

) ormoni peptidici e proteici,

) ormoni - derivati ​​​​di amminoacidi e 3) ormoni di natura steroidea. Il quarto gruppo è costituito da eicosanoidi, sostanze simili agli ormoni che hanno un effetto locale.

Gli ormoni peptidici e proteici includono da 3 a 250 o più residui di aminoacidi. Questi sono gli ormoni dell'ipotalamo e della ghiandola pituitaria (tiroliberina, somatoliberina, somatostatina, ormone della crescita, corticotropina, tireotropina, ecc. - vedi sotto), così come gli ormoni pancreatici (insulina, glucagone). Ormoni - i derivati ​​​​degli amminoacidi sono rappresentati principalmente dai derivati ​​​​dell'amminoacido tirosina. Questi sono composti a basso peso molecolare adrenalina e norepinefrina, sintetizzati nel midollo surrenale e ormoni tiroidei (tiroxina e suoi derivati). Gli ormoni del 1° e 2° gruppo sono altamente solubili in acqua.

Gli ormoni steroidei sono ormoni liposolubili. corteccia ghiandole surrenali (corticosteroidi), ormoni sessuali (estrogeni e androgeni) e la forma ormonale della vitamina D.

Gli eicosanoidi, che sono derivati ​​di un acido grasso polinsaturo (arachidonico), sono rappresentati da tre sottoclassi di composti: prostaglandine, trombossani e leucotrieni. Questi composti insolubili in acqua e instabili esercitano i loro effetti sulle cellule vicine al loro sito di sintesi.

Principi di trasmissione del segnale ormonale alle cellule bersaglio

Esistono due tipi principali di trasmissione del segnale ormonale alle cellule bersaglio. Gli ormoni lipofili entrano nella cellula e poi entrano nel nucleo. Gli ormoni idrofili agiscono a livello della membrana cellulare.

segnale ormonale dell'ormone idrofilo

Gli ormoni lipofili, che includono ormoni steroidei, tiroxina e acido retinoico, penetrano liberamente attraverso la membrana plasmatica all'interno della cellula, dove interagiscono con recettori altamente specifici. Il complesso ormone-recettore sotto forma di dimero si lega alla cromatina nel nucleo e avvia la trascrizione di alcuni geni. Il potenziamento o la soppressione della sintesi dell'mRNA (mRNA) comporta un cambiamento nella concentrazione di proteine ​​specifiche (enzimi) che determinano la risposta della cellula a un segnale ormonale.

Gli ormoni che sono derivati ​​degli amminoacidi, così come gli ormoni peptidici e proteici, formano un gruppo di sostanze di segnalazione idrofile. Queste sostanze si legano a recettori specifici sulla superficie esterna della membrana plasmatica. Il legame dell'ormone trasmette un segnale alla superficie interna della membrana e quindi innesca la sintesi di secondi messaggeri (intermediari). Le molecole intermedie potenziano la risposta cellulare all'azione dell'ormone.

ormoni idrofili

Definizione.

Gli ormoni idrofili e le sostanze simili agli ormoni sono costituiti da aminoacidi, come proteine ​​e peptidi, o sono derivati ​​di aminoacidi. Si depositano in grandi quantità nelle cellule delle ghiandole endocrine ed entrano nel sangue secondo necessità. La maggior parte di queste sostanze viene trasportata nel flusso sanguigno senza la partecipazione di portatori. Gli ormoni idrofili agiscono sulle cellule bersaglio legandosi a un recettore sulla membrana plasmatica.

Metabolismo degli ormoni peptidici

Biosintesi.

A differenza degli steroidi, gli ormoni peptidici e proteici sono i prodotti primari della biosintesi. Le informazioni corrispondenti vengono lette dal DNA (DNA) nella fase di trascrizione e l'hnRNA sintetizzato (hnRNA) viene rilasciato dagli introni a causa dello splicing (1). mRNA (mRNA) codifica una sequenza peptidica, che molto spesso supera significativamente l'ormone maturo nel peso molecolare. La catena amminoacidica originale comprende un peptide segnale e un propeptide precursore dell'ormone. La traduzione dell'mRNA avviene sui ribosomi nel solito modo (2). Il peptide segnale viene sintetizzato per primo. La sua funzione è quella di legare i ribosomi sul reticolo endoplasmatico rugoso [RER (rER)] e guidare la catena peptidica in crescita nel lume RER (3). Il prodotto sintetizzato è un precursore ormonale, un proormone. La maturazione degli ormoni avviene attraverso una proteolisi limitata e successive modificazioni (post-traduzionali), come la formazione di ponti disolfuro, la glicosilazione e la fosforilazione (4). L'ormone maturo si deposita nelle vescicole cellulari, da dove viene secreto secondo necessità a causa dell'esocitosi.

La biosintesi degli ormoni peptidici e proteici e la loro secrezione sono sotto il controllo di un sistema gerarchico di regolazione ormonale. In questo sistema gli ioni calcio partecipano come messaggeri secondari; un aumento della concentrazione di calcio stimola la sintesi e la secrezione degli ormoni.

L'analisi dei geni ormonali mostra che a volte molti peptidi e proteine ​​​​completamente diversi sono codificati dallo stesso gene. Uno dei più studiati è il gene pro-opiomelanocortina [POMC (POMC)]. Insieme alla sequenza nucleotidica corrispondente alla corticotropina [ormone adrenocorticotropo, ACTH (ACTH)], questo gene include sequenze sovrapposte che codificano un numero di piccoli ormoni peptidici, vale a dire α-, β- e γ-melanotropine [MSH (MSH)], β- e γ - lipotropine (LPG (LPH)], β-endorfina e met-encefalina. Quest'ultimo ormone può anche essere formato da β-endorfina. Il proormone per questa famiglia è la cosiddetta poliproteina. Il segnale su quale peptide dovrebbe essere ottenuto e secreto proviene dal sistema di regolazione dopo che la sintesi del prepropeptide è stata completata. Il prodotto secreto più importante derivato dalla poliproteina ipofisaria codificata dal gene POMC è l'ormone corticotropina (ACTH), che stimola la secrezione di cortisolo da parte della corteccia surrenale. le funzioni di altri peptidi non sono completamente comprese.

Inattivazione e degradazione

La degradazione degli ormoni peptidici spesso inizia già nel sangue o sulle pareti dei vasi sanguigni, questo processo è particolarmente intenso nei reni. Alcuni peptidi contenenti ponti disolfuro, come l'insulina, possono essere inattivati ​​a causa della riduzione dei residui di cistina (1).Altri ormoni proteico-peptidici vengono idrolizzati dalle proteinasi, in particolare eso-(2) (alle estremità della catena) e endopeptidasi (3). La proteolisi porta alla formazione di molti frammenti, alcuni dei quali possono essere biologicamente attivi. Molti ormoni proteina-peptidi vengono rimossi dal sistema circolatorio legandosi al recettore di membrana e successiva endocitosi del complesso ormone-recettore. La degradazione di tali complessi avviene nei lisosomi; il prodotto finale della degradazione sono gli amminoacidi, che vengono nuovamente utilizzati come substrati nei processi anabolici e catabolici.

Gli ormoni lipofili e idrofili hanno un'emivita diversa nel sistema circolatorio (più precisamente, l'emivita biochimica, t1/2). Rispetto agli ormoni idrofili (t1/2 di diversi minuti o ore), gli ormoni lipofili vivono molto più a lungo (t1/2 di diverse ore o giorni). L'emivita biochimica degli ormoni dipende dall'attività del sistema di degradazione. L'esposizione del sistema alla degradazione da parte di farmaci o danni ai tessuti può causare un cambiamento nella velocità di degradazione e quindi nella concentrazione di ormoni.

Meccanismo d'azione degli ormoni idrofili

La maggior parte delle sostanze di segnalazione idrofile non è in grado di passare attraverso la membrana cellulare lipofila. Pertanto, la trasmissione del segnale alla cellula viene effettuata attraverso i recettori di membrana (conduttori di segnale). I recettori sono proteine ​​di membrana integrali che legano le sostanze segnale sul lato esterno della membrana e, modificando la struttura spaziale, generano un nuovo segnale sul lato interno della membrana. Questo segnale determina la trascrizione di alcuni geni e l'attività di enzimi che controllano il metabolismo e interagiscono con il citoscheletro.

Ci sono tre tipi di recettori.

I recettori del primo tipo sono proteine ​​​​che hanno una catena polipeptidica transmembrana. Questi sono enzimi allosterici, il cui centro attivo si trova sul lato interno della membrana. Molti di loro sono chinasi proteiche della tirosina. Appartengono a questo tipo i recettori per l'insulina, i fattori di crescita e le citochine.

Il legame della sostanza di segnalazione porta alla dimerizzazione del recettore. In questo caso, si verificano l'attivazione dell'enzima e la fosforilazione dei residui di tirosina in un certo numero di proteine. La molecola del recettore viene prima fosforilata (autofosforilazione). La fosfotirosina lega il dominio SH2 della proteina portatrice del segnale, la cui funzione è quella di trasmettere un segnale alle protein chinasi intracellulari.

canali ionici. Questi recettori di tipo II sono proteine ​​di membrana oligomeriche che formano un canale ionico attivato dal ligando. Il legame del ligando porta all'apertura del canale per gli ioni Na+, K+ o Cl-. Secondo questo meccanismo, viene svolta l'azione dei neurotrasmettitori, come l'acetilcolina (recettori nicotinici: canali Na + - e K +) e l'acido γ-aminobutirrico (recettore A: canale Cl).

Recettori di terzo tipo accoppiati a proteine ​​leganti GTP. La catena polipeptidica di queste proteine ​​comprende sette filamenti transmembrana. Tali recettori segnalano tramite proteine ​​leganti GTP alle proteine ​​effettrici, che sono enzimi accoppiati o canali ionici. La funzione di queste proteine ​​è quella di modificare la concentrazione di ioni o secondi messaggeri.

Pertanto, il legame di una sostanza di segnalazione a un recettore di membrana comporta una delle tre varianti di una risposta intracellulare: le tirosin chinasi del recettore attivano le protein chinasi intracellulari, l'attivazione dei canali ionici attivati ​​dal ligando porta a un cambiamento nella concentrazione di ioni e l'attivazione di recettori accoppiati a proteine ​​leganti il ​​GTP induce la sintesi di sostanze intermediarie, secondi messaggeri. Tutti e tre i sistemi di trasmissione del segnale sono interconnessi. Ad esempio, la formazione del secondo messaggero cAMP (cAMP) porta all'attivazione delle protein chinasi A [PK-A (PK-A)], il messaggero secondario diacilglicerolo [DAG (DAG)] attiva [PK-C (PK- C)], e il messaggero secondario inositolo-1,4,5-trifosfato [IP3 (InsP3)] provoca un aumento della concentrazione di ioni Ca2+ nel citoplasma cellulare.

Trasduzione del segnale da parte delle proteine ​​G. Le proteine ​​G sono una famiglia di proteine ​​appartenenti alle GTPasi e funzionano come secondi messaggeri nelle cascate di segnalazione intracellulare. Le proteine ​​G sono così chiamate perché nel loro meccanismo di segnalazione utilizzano la sostituzione del PIL con il GTP come "interruttore" funzionale molecolare per regolare i processi cellulari.Le proteine ​​trasferiscono il segnale dal recettore di terzo tipo alle proteine ​​effettrici. Sono costituiti da tre subunità: α, β e γ. La subunità α ha la capacità di legare i nucleotidi della guanina [GTP (GTP) o PIL (GDP)]. La proteina mostra una debole attività GTPasica ed è simile ad altre proteine ​​leganti il ​​GTP come ras e il fattore di allungamento Tu (EF-Tu). In uno stato inattivo, la proteina G è associata al PIL.

Quando una sostanza segnale si lega a un recettore di tipo 3, la conformazione di quest'ultimo cambia in modo tale che il complesso acquisisca la capacità di legare la proteina G. L'associazione della proteina G con il recettore porta allo scambio di PIL per GTP (1). In questo caso, la proteina G viene attivata, viene separata dal recettore e dissociata in una subunità α e un complesso β,γ. La subunità ΓΤΦ-α si lega alle proteine ​​effettrici e ne modifica l'attività, determinando l'apertura o la chiusura dei canali ionici, l'attivazione o l'inibizione degli enzimi (2). L'idrolisi lenta del GTP legato al PIL trasforma la subunità α in uno stato inattivo e si associa nuovamente al complesso β,γ, cioè La proteina G ritorna al suo stato originale.

Secondi messaggeri

I secondi messaggeri, o messaggeri, sono sostanze intracellulari la cui concentrazione è strettamente controllata da ormoni, neurotrasmettitori e altri segnali extracellulari. Tali sostanze sono formate da substrati disponibili e hanno una breve emivita biochimica. I secondi messaggeri più importanti sono cAMP (cAMP), cGTP (cGTP), Ca2+, inositolo-1,4,5-trifosfato [IP3 (lnsP3)], diacilglicerolo [DAG (DAG)] e monossido di azoto (NO).

AMP ciclico

Biosintesi. Il nucleotide cAMP (3,5"-cicloadenosina monofosfato, cAMP) è sintetizzato dalle adenilato ciclasi di membrana, una famiglia di enzimi che catalizzano la reazione di ciclizzazione dell'ATP (ATP) con la formazione di cAMP e pirofosfato inorganico. La scomposizione del cAMP per formare AMP (AMP) è catalizzata dalle fosfodiesterasi, che sono inibite ad alte concentrazioni di derivati ​​xantinici metilati, come la caffeina.

L'attività dell'adenilato ciclasi è controllata dalle proteine ​​G, che a loro volta sono accoppiate a recettori di tipo 3 controllati da segnali esterni. La maggior parte delle proteine ​​G (proteine ​​Gs) attiva l'adenilato ciclasi, alcune proteine ​​G la inibiscono (proteine ​​Gi). Alcune adenilato ciclasi sono attivate dal complesso Ca2+/calmodulina.

Meccanismo di azione. cAMP è un effettore allosterico delle protein chinasi A (PK-A) e dei canali ionici (vedi p. 372). Nel suo stato inattivo, PK-A è un tetramero le cui due subunità catalitiche (subunità K) sono inibite da subunità regolatrici (subunità P) (autoinibizione). Quando cAMP è legato, le subunità P si dissociano dal complesso e le unità K vengono attivate. L'enzima può fosforilare alcuni residui di serina e treonina in oltre 100 diverse proteine, inclusi molti enzimi (vedi p. 158) e fattori di trascrizione. Come risultato della fosforilazione, l'attività funzionale di queste proteine ​​cambia.

Insieme a cAMP, cGMP (cGMP) può anche svolgere le funzioni di un secondo messaggero. Entrambi i composti differiscono nel metabolismo e nel meccanismo d'azione.

Il ruolo degli ioni calcio

Il livello di ioni calcio. La concentrazione di ioni Ca2+ nel citoplasma di una cellula non stimolata è molto bassa (10-100 nM). Il basso livello è mantenuto dalle ATPasi di calcio (pompe di calcio) e dagli scambiatori sodio-calcio. Un forte aumento della concentrazione di ioni Ca2+ nel citoplasma (fino a 500-1000 nM) si verifica a seguito dell'apertura dei canali del calcio nella membrana plasmatica o dei depositi intracellulari di calcio (reticolo endoplasmatico liscio e ruvido). L'apertura dei canali può essere causata dalla depolarizzazione della membrana o dall'azione di sostanze di segnalazione, neurotrasmettitori (glutammato e ATP, vedi p. 342), secondi messaggeri (IP3 e cAMP), nonché la sostanza di origine vegetale rianodina. Nel citoplasma e negli organelli cellulari sono presenti molte proteine ​​in grado di legare il Ca2+, alcune delle quali fungono da tampone.

Ad un'alta concentrazione nel citoplasma, gli ioni Ca2+ hanno un effetto citotossico sulla cellula. Pertanto, il livello di calcio in una singola cellula subisce picchi a breve termine, aumentando di 5-10 volte, e la stimolazione della cellula aumenta solo la frequenza di queste fluttuazioni.

L'azione del calcio è mediata da speciali proteine ​​leganti il ​​Ca2+ ("sensori del calcio"), che comprendono annessina, calmodulina e troponina (vedi p. 326). La calmodulina è una proteina relativamente piccola (17 kDa) presente in tutte le cellule animali. Quando si legano quattro ioni Ca2+ (cerchi blu nel diagramma), la calmodulina passa in una forma attiva capace di interagire con numerose proteine. A causa dell'attivazione della calmodulina, gli ioni Ca2+ influenzano l'attività degli enzimi, delle pompe ioniche e dei componenti del citoscheletro.

Inositolo-1,4,5-trifosfato e diacilglicerolo

L'idrolisi del fosfatidilinositolo-4,5-difosfato [FIF2 (PlnsP2)] da parte della fosfolipasi C porta alla formazione di due secondi messaggeri: inositolo-1,4,5-trifosfato e diacilglicerolo. L'IP3 idrofilo entra nel reticolo endoplasmatico [ER (ER)] e induce il rilascio di ioni Ca2+ dalle vescicole di stoccaggio. Il DAG lipofilo rimane nella membrana e attiva la protein chinasi C che, in presenza di Ca2+, fosforila vari substrati proteici, modulandone l'attività funzionale.

I principali rappresentanti degli ormoni idrofili

Derivati ​​degli amminoacidi.

Naturalmente, i più grandi gruppi di ormoni sono gli ormoni steroidei e gli ormoni peptidici. Ma ci sono anche altri gruppi.

Le ammine biogeniche (istamina, serotonina, melatonina) e le catecolamine (dopa, dopamina, norepinefrina ed epinefrina) si formano per decarbossilazione degli aminoacidi.

Istamina

Istamina nel corpo umano - un ormone tissutale, un mediatore che regola le funzioni vitali del corpo e svolge un ruolo significativo nella patogenesi di una serie di stati patologici.

Questo ormone si deposita nei mastociti e nei basofili sotto forma di un complesso con l'eparina, l'istamina libera viene rapidamente disattivata per ossidazione catalizzata dalla diammina ossidasi, o metilata dall'istamina-N-metiltransferasi. I metaboliti finali dell'istamina - acido imidazolilacetico e N-metilistamina vengono escreti nelle urine.

L'istamina nel corpo umano è in uno stato inattivo. Con lesioni, stress, reazioni allergiche, la quantità di istamina libera aumenta notevolmente. La quantità di istamina aumenta anche quando vari veleni, certi cibi e certi farmaci entrano nel corpo.

L'istamina libera provoca spasmo della muscolatura liscia (compresi i muscoli dei bronchi e dei vasi sanguigni), dilatazione dei capillari e diminuzione della pressione sanguigna, ristagno di sangue nei capillari e aumento della permeabilità delle loro pareti, provoca gonfiore dell'ambiente circostante tessuti e ispessimento del sangue, stimola il rilascio di adrenalina e l'aumento della frequenza cardiaca.

L'istamina esercita la sua azione attraverso specifici recettori cellulari dell'istamina. Attualmente, ci sono tre gruppi di recettori dell'istamina, che sono designati H1, H2 e H3.

L'istamina svolge un ruolo significativo nella fisiologia della digestione. Nello stomaco, l'istamina viene secreta dalle cellule della mucosa enterocromaffin-like (ECL-). L'istamina stimola la produzione di acido cloridrico agendo sui recettori H2 delle cellule parietali della mucosa gastrica. Sviluppato e utilizzato attivamente nel trattamento delle malattie acido-dipendenti (ulcera gastrica e duodenale, GERD, ecc.) Un numero di farmaci chiamati bloccanti H2 del recettore dell'istamina, che bloccano l'effetto dell'istamina sulle cellule parietali, riducendo così la secrezione di acido cloridrico acido nel lume dello stomaco.

Serotonina

Serotonina(5-idrossitriptamina, 5-HT) è stato scoperto durante la ricerca di un vasocostrittore trovato nel sangue. Abbastanza rapidamente, è stato identificato con l'enteramina precedentemente scoperta da Erspamer nell'intestino e ne è stata decifrata la struttura chimica, che si è rivelata molto semplice.

Circa il 90% della serotonina si trova nell'intestino e quasi esclusivamente nelle cellule enterocromaffini. Si trova anche nella milza, nel fegato, nei reni, nei polmoni e in varie ghiandole endocrine.

C'è anche serotonina nel cervello principale (relativamente molto nell'ipotalamo e nel mesencefalo, meno nel talamo, nell'ippolite, non è stato trovato affatto in corpo calloso e cervelletto) e nel midollo spinale.

La serotonina è formata dall'amminoacido triptofano mediante la sua 5-idrossilazione sequenziale da parte dell'enzima 5-triptofano idrossilasi (che risulta in 5-idrossitriptofano, 5-HT) e quindi la decarbossilazione dell'idrossitriptofano risultante da parte dell'enzima triptofano decarbossilasi. sintetizzato solo nel soma dei neuroni serotoninergici, l'idrossilazione avviene in presenza di ioni ferro e cofattore pteridina.

La serotonina svolge un ruolo importante nei processi di coagulazione del sangue. Le piastrine del sangue contengono quantità significative di serotonina e hanno la capacità di catturare e immagazzinare la serotonina dal plasma sanguigno. La serotonina aumenta l'attività funzionale delle piastrine e la loro tendenza ad aggregarsi e formare coaguli di sangue. Stimolando specifici recettori della serotonina nel fegato, la serotonina provoca un aumento della sintesi dei fattori della coagulazione da parte del fegato. Il rilascio di serotonina dai tessuti danneggiati è uno dei meccanismi per garantire la coagulazione del sangue nel sito della lesione.

La serotonina è coinvolta nei processi di allergia e infiammazione. Aumenta la permeabilità vascolare, migliora la chemiotassi e la migrazione dei leucociti nel sito di infiammazione, aumenta il contenuto di eosinofili nel sangue, migliora la degranulazione dei mastociti e il rilascio di altri mediatori di allergia e infiammazione. La somministrazione locale (p. es., intramuscolare) di serotonina esogena provoca un forte dolore nel sito di iniezione. Presumibilmente, la serotonina, insieme all'istamina e alle prostaglandine, irritando i recettori nei tessuti, svolge un ruolo nel verificarsi di impulsi dolorosi dal sito di lesione o infiammazione.

Inoltre, una grande quantità di serotonina viene prodotta nell'intestino. La serotonina svolge un ruolo importante nella regolazione della motilità e della secrezione nel tratto gastrointestinale, potenziandone la peristalsi e l'attività secretoria. Inoltre, la serotonina svolge il ruolo di fattore di crescita per alcuni tipi di microrganismi simbiotici, migliora il metabolismo batterico nel colon. Anche i batteri del colon contribuiscono in qualche modo alla secrezione di serotonina intestinale, poiché molti batteri simbiotici hanno la capacità di decarbossilare il triptofano. Con la disbatteriosi e una serie di altre malattie del colon, la produzione di serotonina da parte dell'intestino è significativamente ridotta.

Il massiccio rilascio di serotonina dalle cellule morenti della mucosa gastrica e intestinale sotto l'influenza di farmaci chemioterapici citotossici è una delle cause di nausea e vomito, diarrea durante la chemioterapia di tumori maligni. Una condizione simile si verifica in alcuni tumori maligni che producono serotonina a livello ectopico.

Nell'utero si nota anche un alto contenuto di serotonina. La serotonina svolge un ruolo nella regolazione paracrina della contrattilità uterina e delle tube di Falloppio e nella coordinazione del travaglio. La produzione di serotonina nel miometrio aumenta poche ore o giorni prima del parto e aumenta ancora più direttamente durante il parto. Inoltre, la serotonina è coinvolta nel processo di ovulazione: il contenuto di serotonina (e una serie di altre sostanze biologicamente attive) nel fluido follicolare aumenta immediatamente prima della rottura del follicolo, il che, a quanto pare, porta ad un aumento della pressione intrafollicolare.

La serotonina ha un effetto significativo sui processi di eccitazione e inibizione nel sistema genitale. Ad esempio, un aumento della concentrazione di serotonina negli uomini ritarda l'inizio dell'eiaculazione.

La carenza o l'inibizione della trasmissione serotoninergica, ad esempio, causata da una diminuzione del livello di serotonina nel cervello, è uno dei fattori nella formazione di stati depressivi e forme gravi di emicrania.

L'iperattivazione dei recettori della serotonina (ad esempio, durante l'assunzione di determinati farmaci) può portare ad allucinazioni. Lo sviluppo della schizofrenia può essere associato a un livello cronicamente elevato della loro attività.

Melatonina

Nel 1958, alla Yale University, Lerner et al., da 250.000 ghiandole pineali bovine, isolarono per la prima volta l'ormone della ghiandola pineale nella sua forma pura, che fu identificato come 5-metossi-N-acetil-triptalina ( melatonina).

I cambiamenti nella concentrazione di melatonina hanno un notevole ritmo diurno nella ghiandola pineale e nel sangue, di solito con alto livello ormone durante la notte e basso livello durante il giorno.

La sintesi della melatonina consiste nel fatto che l'amminoacido triptofano circolante nel sangue viene assorbito dalle cellule epifisarie, ossidato a 5-idrossitriptofano e poi decarbossilato nella forma di un'ammina biogenica - serotonina (sintesi della serotonina). La maggior parte della serotonina viene metabolizzata nella ghiandola pineale con l'aiuto della monoaminossidasi, che distrugge la serotonina in altri organi. Una porzione minore di serotonina viene acetilata nella ghiandola pineale in N-acetil serotonina e questa sostanza viene poi convertita in 5-metossi-N-acetiltriptamina (melatonina). L'ultimo passaggio nella formazione della melatonina viene effettuato sotto l'influenza di uno speciale enzima ossindolo-O-metiltransferasi. Si è scoperto che la ghiandola pineale è quasi l'unica formazione in cui è stato trovato questo enzima unico.

A differenza della serotonina, che si forma sia nel sistema nervoso centrale che in vari organi e tessuti periferici, la fonte della melatonina è essenzialmente un organo: la ghiandola pineale.

La melatonina regola l'attività del sistema endocrino, la pressione sanguigna, la frequenza del sonno, il ritmo stagionale in molti animali, rallenta il processo di invecchiamento, migliora l'efficienza del sistema immunitario, ha proprietà antiossidanti e influenza i processi di adattamento quando si cambiano i fusi orari.

Inoltre, la melatonina è coinvolta nella regolazione della pressione sanguigna, nelle funzioni dell'apparato digerente e nel funzionamento delle cellule cerebrali.

È ormai ben noto che il contenuto di serotonina e melatonina nella ghiandola pineale dei mammiferi varia in un certo modo nell'arco di 24 ore.

In condizioni di luce normale, i livelli di serotonina sono più alti durante il giorno. Con l'inizio dell'oscurità, il contenuto di serotonina nella ghiandola pineale diminuisce rapidamente (il massimo è 8 ore dopo l'inizio del periodo diurno, il minimo è 4 ore dopo il tramonto).

ormoni catecolaminici

Adrenalina Un ormone sintetizzato nel midollo surrenale. La sua esistenza è nota da oltre un secolo. Nel 1901, l'adrenalina fu isolata da un estratto delle ghiandole surrenali allo stato cristallino da Takamine, Aldrich e I. Fürth. Due anni dopo, F. Stolz diede per sintesi la prova definitiva della sua struttura. L'adrenalina si è rivelata essere 1-(3,4-diossifenil)-2-metilamminoetanolo.

È una polvere cristallina incolore. Possedendo un atomo di carbonio asimmetrico, l'adrenalina esiste sotto forma di due isomeri ottici. Di questi, l'azione ormonale levogira è 15 volte più attiva di quella destrogira. È lui che viene sintetizzato nelle ghiandole surrenali.

Il midollo surrenale di un essere umano del peso di 10 g contiene circa 5 mg di adrenalina. Inoltre, in essi sono stati trovati anche omologhi dell'adrenalina: noradrenalina (0,5 mg) e isopropiradrenalina (tracce).

L'adrenalina e la norepinefrina si trovano anche nel sangue umano. Il loro contenuto nel sangue venoso è rispettivamente di 0,04 e 0,2 µg%. Si presume che l'epinefrina e la norepinefrina sotto forma di un sale con ATP si depositino in piccole quantità nelle terminazioni delle fibre nervose, venendo rilasciate in risposta alla loro irritazione. Di conseguenza, si stabilisce un contatto chimico tra l'estremità della fibra nervosa e la cellula o tra due neuroni.

Tutte e tre le sostanze - adrenalina, norepinefrina e isopropiradrenalina - hanno un potente effetto su sistema vascolare organismo. Inoltre, aumentano il livello del metabolismo dei carboidrati nel corpo, aumentando la scomposizione del glicogeno nei muscoli. Ciò è dovuto al fatto che la fosforilasi muscolare, sotto l'azione dell'adrenalina mediata dall'adenilato ciclasi, passa da una forma inattiva (fosforilasi b) a una forma attiva (fosforilasi a).

Pertanto, l'adrenalina nei muscoli svolge la stessa funzione del glucagone nel fegato, fornendo l'innesco della reazione dell'adenilato ciclasi dopo l'interazione con il recettore ormonale di superficie della cellula bersaglio.

Ormoni del sistema simpatico-surrenale, sebbene non vitali, il loro ruolo nel corpo è estremamente ampio: forniscono adattamento allo stress acuto e cronico. Adrenalina, noradrenalina e domafina sono gli elementi principali della reazione "lotta o fuga" (che si verifica, ad esempio, quando si incontra inaspettatamente un orso in un cespuglio di mirtilli). La risposta alla paura sperimentata allo stesso tempo include una rapida ristrutturazione integrata di molti processi complessi negli organi direttamente coinvolti in questa reazione (cervello, muscoli, sistema cardiopolmonare e fegato). Adrenalina in questa "risposta":

) fornisce rapidamente acidi grassi, che fungono da principale combustibile primario per l'attività muscolare;

) mobilita il glucosio come fonte di energia per il cervello, aumentando la glicogenolisi e la gluconeogenesi nel fegato e riducendo l'assorbimento di glucosio nei muscoli e in altri organi;

) riduce il rilascio di insulina, che impedisce anche l'assorbimento del glucosio da parte dei tessuti periferici, risparmiandolo, di conseguenza, per il sistema nervoso centrale.

La stimolazione nervosa del midollo surrenale porta alla fusione dei granuli cromaffini con membrana plasmatica, e quindi provoca il rilascio di noradrenalina e adrenalina per esocitosi. Questo processo è dipendente dal calcio e, come altri processi esocitotici, è stimolato da agenti colinergici e β-adrenergici e inibito da agenti α-adrenergici. Le catecolamine e l'ATP vengono rilasciate nello stesso rapporto in cui sono presenti nei granuli. Questo vale anche per altri componenti, tra cui DBH, calcio e cromogranina A.

La ricaptazione delle catecolamine da parte dei neuroni è un meccanismo importante che garantisce, da un lato, la conservazione degli ormoni e, dall'altro, la rapida cessazione dell'attività ormonale o dei neurotrasmettitori. A differenza dei nervi simpatici, la midollare surrenale manca di un meccanismo per la ricaptazione e l'immagazzinamento delle catecolamine rilasciate. L'adrenalina secreta dalle ghiandole surrenali entra nel fegato e nei muscoli scheletrici, ma viene poi rapidamente metabolizzata. Solo una piccolissima parte della noradrenalina raggiunge i tessuti distanti. Le catecolamine circolano nel plasma in forma debolmente associata all'albumina. Hanno vita molto breve: la loro emivita biologica è di 10 - 30 secondi.

Il meccanismo d'azione delle catecolamine ha attirato l'attenzione dei ricercatori per quasi un secolo. In effetti, molti concetti generali della biologia dei recettori e dell'azione degli ormoni hanno origine in un'ampia varietà di studi.

Le catecolamine agiscono attraverso due classi principali di recettori: α-adrenergici e β-adrenergici. Ognuna di esse è suddivisa in due sottoclassi: rispettivamente α 1 e α 2 , β 1 e β 2 . Questa classificazione si basa sull'ordine relativo di legame a vari agonisti e antagonisti. L'adrenalina lega (e attiva) entrambi i recettori α e β, e quindi il suo effetto sui tessuti contenenti recettori di entrambe le classi dipende dall'affinità relativa di questi recettori per l'ormone. La noradrenalina in concentrazioni fisiologiche si lega principalmente ai recettori α.

I feocromocitomi sono tumori della midollare del surrene che di solito non vengono diagnosticati fino a quando non iniziano a produrre e secernere adrenalina e norepinefrina in quantità sufficienti a causare una grave ipertensione. Nel feocromocitoma, il rapporto noradrenalina/adrenalina è spesso elevato. Forse questo spiega le differenze nelle manifestazioni cliniche, poiché alla norepinefrina è attribuito il ruolo principale nella patogenesi dell'ipertensione e l'adrenalina è considerata responsabile dell'ipermetabolismo.

Ormoni peptidici e proteici

Ora sono note diverse dozzine di ormoni peptidici naturali e il loro elenco viene gradualmente reintegrato.

Grazie all'uso diffuso dei metodi di chimica proteica in rapido sviluppo negli ultimi anni, sono stati ottenuti numerosi ormoni peptidici in uno stato omogeneo, è stata studiata la loro composizione aminoacidica, il primario (e nel caso degli ormoni proteici, secondario , terziarie e quaternarie) sono state identificate e alcune di esse sono state preparate sinteticamente. Inoltre, i grandi progressi nel campo della sintesi chimica dei peptidi hanno permesso di ottenere artificialmente molti peptidi che sono isomeri o analoghi dei peptidi naturali. Lo studio dell'attività ormonale di questi ultimi ha portato informazioni estremamente importanti sulla relazione tra la struttura degli ormoni peptidici e la loro funzione.

Gli ormoni peptidici più importanti sono la tireotropina, l'insulina, il glucagone, la gastrina, l'ossitocina, la vasopressina.

Tireotropina

tireotropina - una proteina secreta dalla ghiandola pituitaria anteriore. È una glicoproteina con M = 28300, composta da due subunità disuguali (M = 13600 e 14700), eccezionalmente ricca di ponti disolfuro (rispettivamente 5 e 6). Scopro la struttura primaria della tireotropina nei tori e nei maiali: con una mancanza di tireotropina (ipofunzione della ghiandola pituitaria), l'attività della ghiandola tiroidea si indebolisce, diminuisce di dimensioni e il contenuto ematico dell'ormone da essa secreto - tiroxina - è dimezzato.

Pertanto, la tireotropina stimola l'attività della ghiandola tiroidea. A sua volta, la secrezione di tireotropina è regolata dal principio del feedback da parte degli ormoni tiroidei. Di conseguenza, l'attività delle due ghiandole endocrine menzionate è finemente coordinata.

L'introduzione della tireotropina provoca molteplici cambiamenti nel metabolismo: dopo 15-20 minuti aumenta la secrezione di ormoni tiroidei e aumenta il suo assorbimento di iodio, necessario per la sintesi di questi ormoni; l'assorbimento di ossigeno da parte della ghiandola tiroidea aumenta, l'ossidazione del glucosio aumenta, il metabolismo dei fosfolipidi e la neoplasia dell'RNA vengono attivati. Ora è stato scoperto che il meccanismo d'azione della tireotropina, come molti altri ormoni peptidici, si riduce all'attivazione dell'adenilato ciclasi, situata in prossimità della proteina del recettore a cui si lega la tireotropina. Di conseguenza, una serie di processi viene accelerata nella ghiandola tiroidea, inclusa la biosintesi degli ormoni tiroidei.

Insulina

Insulina - una proteina prodotta nelle cellule beta del pancreas. La sua struttura è stata studiata nei minimi dettagli. L'insulina è stata la prima proteina la cui struttura primaria è stata chiarita da F. Sanger. Era la prima proteina ottenuta per sintesi chimica.

Per la prima volta, Mehring e O. Minkovsky (1889) notarono la presenza nella ghiandola di un ormone che influenza il metabolismo dei carboidrati. Più tardi L.V. Sobolev (1901) stabilì che la fonte dell'insulina nel pancreas è la sua parte insulare, in relazione alla quale nel 1909 questo ormone, non ancora individuato, ricevette il nome di insulina (dal lat. isola- isola). Nel 1992, F. Banting e G. Best si sono preparati per la prima volta farmaco attivo insulina e nel 1926 furono sviluppati metodi per il suo isolamento in uno stato altamente purificato, anche sotto forma di preparati cristallini contenenti lo 0,36% di Zn.

L'insulina è sintetizzata nelle cellule beta delle isole di Langerhans dal normale meccanismo di sintesi proteica. La traduzione dell'insulina inizia sui ribosomi associati al reticolo endoplasmatico, con la formazione del preproormone dell'insulina. Questo preproormone iniziale con un peso molecolare di 11500 viene scisso nel reticolo endoplasmatico in proinsulina con un peso molecolare di circa 9000. Inoltre, nell'apparato di Golgi, la maggior parte viene scomposta in insulina, che è confezionata in granuli secretori, e un frammento peptidico. Tuttavia, quasi 1/6 del prodotto secreto finale rimane sotto forma di proinsulina. La proinsulina è una forma inattiva dell'ormone.

Il peso molecolare dell'insulina cristallina è 36000. La sua molecola è un multimero composto da sei protomeri e due atomi di Zn. I protomeri formano dimeri che interagiscono con i radicali imidazolici gis 10 catene B e promuovono la loro aggregazione in un esamero. Decadendo, il multimero dà tre sottoparticelle con un peso molecolare di 12.000 ciascuna. A sua volta, ogni subparticella è divisa in due parti uguali con M = 6000. Tutte le modificazioni elencate dell'insulina - protomero, damero ed esamero - hanno un'attività ormonale completa. Pertanto, la molecola di insulina viene spesso identificata con un protomero a piena attività biologica (M = 6000), tanto più che in condizioni fisiologiche l'insulina esiste in forma monomerica. L'ulteriore frammentazione della molecola di insulina (con M = 6000) in catena A (di 21 residui di aminoacidi) e catena B (di 30 residui di aminoacidi) porta alla perdita delle proprietà ormonali.

Le insuline isolate dal pancreas di vari animali sono quasi identiche nella loro struttura primaria. Con un livello insufficiente di biosintesi dell'insulina nel pancreas umano (normalmente vengono sintetizzati 2 mg di insulina ogni giorno), si sviluppa una malattia caratteristica: diabete o diabete mellito. Ciò aumenta la glicemia (iperglicemia) e aumenta l'escrezione di glucosio nelle urine (glicosuria). Allo stesso tempo, si sviluppano vari fenomeni secondari: il contenuto di glicogeno nei muscoli diminuisce, la biosintesi di peptidi, proteine ​​​​e grassi rallenta, il metabolismo minerale viene disturbato, ecc.

L'introduzione di insulina per iniezione o per os (in bocca) sotto forma di farmaco incapsulato in liposomi provoca l'effetto opposto: una diminuzione della glicemia, un aumento delle riserve di glicogeno muscolare, un aumento dei processi anabolici, la normalizzazione dei minerali metabolismo, ecc. Tutti i fenomeni di cui sopra sono il risultato di un cambiamento sotto l'influenza della permeabilità all'insulina per il glucosio delle membrane cellulari, sulla cui superficie vengono rilevati i recettori dell'insulina Ca 2+ dipendenti ad alta e bassa affinità. Aumentando il livello di penetrazione del glucosio nella cellula e nelle particelle subcellulari, l'insulina aumenta le possibilità del suo utilizzo in alcuni tessuti, sia che si tratti della biosintesi del glicogeno da esso o della sua scomposizione dicotomica o apotomica.

Quando l'insulina interagisce con il recettore membrana cellulare viene eccitata l'attività del dominio della protein chinasi del recettore dell'insulina, che influenza il metabolismo intracellulare di carboidrati, lipidi e proteine. L'insulina non ha un meccanismo d'azione tipico dell'adenilato ciclasi.

Glucagone

Nel pancreas, oltre all'insulina, viene prodotto un altro ormone che influenza il metabolismo dei carboidrati - glucagone.

Questo è un peptide a 29 membri sintetizzato nelle cellule α della parte insulare del pancreas. La prima menzione di questo ormone risale al 1923, quando I. Murlin ei suoi collaboratori ne scoprirono la presenza nei preparati di insulina. Nel 1953 F. Straub ricevette il glucagone sotto forma di una preparazione cristallina omogenea e poco dopo fu chiarita la sua struttura primaria. La sintesi completa del glucagone fu effettuata nel 1968 (E. Wunsch e collaboratori). Secondo l'analisi di diffrazione dei raggi X (T. Blandel), la molecola di glucagone è prevalentemente nella conformazione α-elica ed è incline alla formazione di oligomeri.

La struttura primaria dei glucagoni umani e animali è risultata identica; l'unica eccezione è il glucagone di tacchino, che ha serina invece di asparagina in posizione 28. Una caratteristica della struttura del glucagone è l'assenza di legami disolfuro e cisteina. Il glucagone è formato dal suo precursore proglucagone, che contiene un ulteriore octapeptide (8 residui) all'estremità C del polipeptide, che viene staccato durante la proteolisi postsintetica. Ci sono prove che il proglucagone, come la proinsulina, abbia un precursore - preproglucagone (peso molecolare 9000), la cui struttura non è stata ancora decifrata.

Di azione biologica il glucagone, come l'adrenalina, sono fattori iperglicemici, causando un aumento della concentrazione di glucosio nel sangue dovuto principalmente alla scomposizione del glicogeno nel fegato. Gli organi bersaglio del glucagone sono il fegato, il miocardio, il tessuto adiposo, ma non il muscolo scheletrico. La biosintesi e la secrezione del glucagone è controllata principalmente dalla concentrazione di glucosio sul principio del feedback. Gli amminoacidi e gli acidi grassi liberi hanno la stessa proprietà. La secrezione di glucagone è anche influenzata dall'insulina e dai fattori di crescita simili all'insulina.

Nel meccanismo d'azione del glucagone, il legame a specifici recettori della membrana cellulare è primario, il complesso del recettore del glucagone risultante attiva l'adenilato ciclasi e, di conseguenza, la formazione di cAMP. Quest'ultimo, essendo un effettore universale degli enzimi intracellulari, attiva la protein chinasi, che a sua volta fosforila la fosforilasi chinasi e la glicogeno sintasi. La fosforilazione del primo enzima favorisce la formazione della glicogeno fosforilasi attiva e, di conseguenza, la scomposizione del glicogeno con la formazione di glucosio-1-fosfato, mentre la fosforilazione della glicogeno sintasi è accompagnata dal suo passaggio a una forma inattiva e, di conseguenza, dal blocco di sintesi del glicogeno. L'effetto complessivo del glucagone è quello di accelerare la scomposizione del glicogeno e l'inibizione della sua sintesi nel fegato, che porta ad un aumento della concentrazione di glucosio nel sangue.

L'effetto iperglicemizzante del glucagone è dovuto, tuttavia, non solo alla scomposizione del glicogeno. Esistono prove indiscutibili dell'esistenza di un meccanismo gluconeogenetico per l'iperglicemia indotta da glucagone. È stato stabilito che il glucagone favorisce la formazione di glucosio dai prodotti intermedi del metabolismo delle proteine ​​e dei grassi. Il glucagone stimola la formazione di glucosio a partire dagli amminoacidi inducendo la sintesi degli enzimi della gluconeogenesi con la partecipazione del cAMP, in particolare della fosfoenolpiruvato carbossinasi, l'enzima chiave di questo processo. Il glucagone, a differenza dell'adrenalina, inibisce la scomposizione glicolitica del glucosio in acido lattico, contribuendo così all'iperglicemia. Attiva direttamente la lipasi tissutale attraverso il cAMP, fornendo un potente effetto lipolitico. Esistono anche differenze nell'azione fisiologica: a differenza dell'adrenalina, il glucagone non aumenta la pressione sanguigna e non aumenta la frequenza cardiaca. Va notato che, oltre al glucagone pancreatico, è stata recentemente dimostrata l'esistenza del glucagone intestinale, che viene sintetizzato in tutto il tratto digestivo ed entra nel sangue. La struttura primaria del glucagone intestinale non è stata ancora accuratamente decifrata, tuttavia, nella sua molecola sono state scoperte sequenze di aminoacidi identiche alle sezioni N-terminale e mediana del glucagone pancreatico, ma una diversa sequenza di aminoacidi C-terminale.

Pertanto, le isole pancreatiche, che sintetizzano due azioni ormonali opposte: insulina e glucagone, svolgono un ruolo chiave nella regolazione delle sostanze a livello molecolare.

Gastrina

GastrinaÈ prodotto da cellule G localizzate nella mucosa antrale dello stomaco e, in misura minore, nella mucosa duodenale.

Esistono tre principali forme naturali di gastrina: "grande gastrina", o gastrina-34 - un polipeptide di 34 aminoacidi, "piccola gastrina" o gastrina-17, composta da 17 aminoacidi, e "minigastrina", o gastrina- 14, costituito da 14 amminoacidi.

È più eterogeneo nella dimensione molecolare di qualsiasi altro ormone gastrointestinale. Inoltre, ciascuna delle forme di gastrina esiste in forma solfonata e non solfonata (secondo un singolo residuo di tirosina). Gli aminoacidi C-terminali 14 in gastrina 34, gastrina 17 e gastrina 14 sono identici. La gastrina 34 è presente nel sangue in quantità maggiore rispetto alla gastrina 17. Ciò è probabilmente dovuto al fatto che la sua emivita plasmatica (15 min) è 5-7 volte superiore a quella della gastrina 17. Quest'ultima, a quanto pare, agisce come principale stimolatore della secrezione acida da parte dello stomaco, che è regolato da un meccanismo di feedback negativo, poiché l'acidificazione del contenuto della regione antrale dello stomaco riduce la secrezione di gastrina. La gastrina stimola anche la secrezione gastrica. Il C-terminale dell'ormone è responsabile dell'attività biologica, il pentapeptide C-terminale provoca l'intera gamma di effetti fisiologici della gastrina 17, ma per unità di massa ho solo 1/10 della sua attività biologica.

Vasopressina e occitocina.

Entrambi gli ormoni sono prodotti nell'ipotalamo, poi trasferiti con la corrente assoplasmatica alle terminazioni nervose dell'ipofisi posteriore, da cui vengono secreti nel circolo sanguigno con opportuna stimolazione. Il significato di questo meccanismo è probabilmente che ti consente di aggirare la barriera emato-encefalica. L'ADH è sintetizzato principalmente nel nucleo sopraottico, l'ossitocina - nel nucleo paraventricolare. Ciascuno di essi si muove lungo l'assone in una forma associata a una specifica proteina trasportatrice (neurofisina). Le neurofisine I e II sono sintetizzate insieme all'ossitocina e all'ADH, rispettivamente, come parti di una singola proteina (a volte indicata come propressofisina) codificata da un singolo gene. Le neurofisine I e II sono proteine ​​peculiari con pesi molecolari rispettivamente di 19.000 e 21.000 L'ADH e l'ossitocina vengono secreti separatamente nel flusso sanguigno, ciascuno con la propria neurofisina. Nel sangue, non sono legati alle proteine ​​e hanno una breve emivita plasmatica (2-4 min).

Ogni nonapeptide contiene molecole di cisteina nelle posizioni 1 e 6 collegate da un ponte disolfuro. L'arginina-vasopressina si trova nella maggior parte degli animali, ma la lisina si trova in posizione 8 nei suini e nelle specie affini. Poiché l'ADH e l'ossitocina sono molto simili nella struttura, non sorprende che condividano alcuni effetti biologici comuni. Entrambi i peptidi sono metabolizzati principalmente nel fegato, ma l'onorevole escrezione di ADH contribuisce in modo significativo alla sua scomparsa dal sangue.

Gli stimoli principali per il rilascio di ossitocina sono gli impulsi nervosi che si verificano quando i capezzoli sono irritati. Lo stiramento della vagina e dell'utero svolge un ruolo secondario. Molte esposizioni che causano la secrezione di ossitocina determinano il rilascio di prolattina; suggeriscono che un frammento di ossitocina possa svolgere il ruolo di fattore di rilascio della prolattina. L'estrogeno stimola, mentre il progesterone inibisce la produzione di ossitocina e neurofisina I.

Il meccanismo d'azione dell'ossitocina è sconosciuto. Provoca la contrazione della muscolatura liscia dell'utero e viene quindi utilizzato in dosi farmacologiche per stimolare attività lavorativa tra le donne. È interessante notare che negli animali gravidi con un sistema ipotalamo-ipofisario danneggiato non ci sono ostacoli all'attività lavorativa. La funzione fisiologica più probabile dell'ossitocina è quella di stimolare le contrazioni nelle cellule mioepiteliali che circondano gli alveoli mammari. Ciò fa sì che il latte si sposti nel sistema di dotti alveolari e ne provochi l'espulsione. I recettori di membrana per l'ossitocina si trovano nei tessuti dell'utero e del seno. Il loro numero aumenta sotto l'influenza degli estrogeni e diminuisce sotto l'influenza del progesterone. L'inizio dell'allattamento prima del parto può ovviamente essere spiegato dal contemporaneo aumento della quantità di estrogeni e dalla caduta dei livelli di progesterone immediatamente prima del parto. I derivati ​​​​del progesterone sono spesso usati per sopprimere l'allattamento postpartum nelle donne. L'ossitocina e la neurofisina I sembrano essere prodotte anche nelle ovaie, dove l'ossitocina può inibire la steroidogenesi.

I gruppi chimici essenziali per l'azione dell'ossitocina includono il gruppo amminico primario della cisteina N-terminale, il gruppo fenolico della tirosina, i 3 gruppi carbossammidici di asparagina, glutammina e glicinammide, il legame disolfuro (S-S). Numerosi analoghi dell'ossitocina sono stati ottenuti rimuovendo o sostituendo questi gruppi. Ad esempio, la rimozione del gruppo amminico primario libero del residuo terminale della semicisteina (posizione 1) porta alla formazione della deamminoossitocina, la cui attività antidiuretica è 4-5 volte superiore all'attività dell'ossitocina naturale.

Gli impulsi nervosi che causano la secrezione di ADH sono il risultato di diversi fattori stimolatori. Il principale stimolo fisiologico è un aumento dell'osmolalità plasmatica. Il suo effetto è mediato dagli osmocettori situati nell'ipotalamo e dai barocettori situati nel cuore e in altre parti del sistema vascolare. L'emodiluizione (diminuzione dell'osmolalità) ha l'effetto opposto. Altri stimoli includono lo stress emotivo e fisico e l'esposizione ad agenti farmacologici, tra cui acetilcolina, nicotina e morfina. Nella maggior parte dei casi, un aumento della secrezione è combinato con un aumento della sintesi di ADH e neurofisina II, poiché non vi è esaurimento delle riserve ormonali. L'epinefrina e gli agenti che causano l'espansione del plasma sopprimono la secrezione di ADH; l'etanolo ha un effetto simile.

Le cellule bersaglio più importanti dal punto di vista fisiologico per l'ADH nei mammiferi sono le cellule dei tubuli contorti distali e i dotti collettori del rene. Questi dotti attraversano la midollare renale, dove il gradiente di osmolalità dei soluti extracellulari è 4 volte superiore a quello del plasma. Le cellule di questi dotti sono relativamente impermeabili all'acqua, cosicché in assenza di ADH l'urina non è concentrata e può essere escreta in quantità superiori a 20 litri al giorno. L'ADH aumenta la permeabilità delle cellule all'acqua e aiuta a mantenere l'equilibrio osmotico tra l'urina dei dotti collettori e il contenuto ipertonico dello spazio interstiziale, in modo che il volume di urina rimanga entro 0,5 - 1 litro al giorno. Sulle membrane mucose (urinarie) delle cellule epiteliali di queste strutture sono presenti recettori ADH associati all'adenilato ciclasi; Si ritiene che l'azione dell'ADH sui tubuli renali sia mediata dal cAMP. L'azione fisiologica descritta è stata la base per chiamare l'ormone "antidiuretico. Gli inibitori del cAMP e della fosfodiesterasi imitano gli effetti dell'ADH. poiché l'effetto del cAMP stesso non è diminuito.) Questo meccanismo può essere in parte responsabile dell'aumento della diuresi che è caratteristico di pazienti con ipercalcemia.

Disturbi nella secrezione o nell'azione dell'ADH portano al diabete insipido, che è caratterizzato dall'escrezione di grandi volumi di urina diluita. Il diabete insipido primario associato a deficit di ADH di solito si sviluppa quando il tratto ipotalamo-ipofisario è danneggiato a causa di una frattura della base cranica, di un tumore o di un'infezione; tuttavia, può anche essere ereditario. Nel nefrogenico ereditario diabete la secrezione di ADH rimane normale, ma le cellule bersaglio perdono la capacità di rispondere all'ormone, probabilmente a causa di una ricezione ridotta. Questo difetto ereditario differisce dal diabete insipido nefrogenico acquisito, che si verifica più spesso con la somministrazione terapeutica di litio a pazienti con psicosi maniaco-depressiva. La sindrome da inappropriata secrezione di ADH è solitamente associata alla produzione ectopica dell'ormone vari tumori(di solito tumori polmonari), ma può verificarsi anche con malattie cerebrali, infezioni polmonari o ipotiroidismo. Tale secrezione è considerata inadeguata perché la produzione di ADH avviene con normale o maggiore velocità in condizioni di ipoosmolalità, e questo provoca iponatriemia prolungata e progressiva con rilascio di urina ipertonica.

Conclusione

Gli ormoni idrofili e le sostanze simili agli ormoni sono costituiti da amminoacidi. come proteine ​​e peptidi, o sono derivati ​​di amminoacidi. Si depositano in grandi quantità nelle cellule delle ghiandole endocrine ed entrano nel sangue secondo necessità. La maggior parte di queste sostanze viene trasportata nel flusso sanguigno senza la partecipazione di portatori. Gli ormoni idrofili agiscono sulle cellule bersaglio legandosi a un recettore sulla membrana plasmatica.

Gli ormoni idrofili svolgono un ruolo importante nel corpo umano. La loro funzione principale, come tutti gli ormoni, è mantenere l'equilibrio nel corpo (omeostasi). Svolgono un ruolo chiave nella regolazione delle funzioni di crescita, sviluppo, metabolismo, reazioni alle mutevoli condizioni ambientali e molto altro.

Tutto ciò a cui reagiamo - allergie, infiammazioni, paura, ecc. - è una conseguenza del lavoro degli ormoni.

Inoltre, qualsiasi azione eseguita dagli organi interni di una persona è causata dagli ormoni, che sono una sorta di sostanze segnale nel corpo.

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Domande per prepararsi alla lezione:

1. La regolazione ormonale come meccanismo di coordinazione intercellulare e interorganica del metabolismo. I principali meccanismi di regolazione del metabolismo: un cambiamento nell'attività degli enzimi nella cellula, un cambiamento nella quantità di enzimi nella cellula (induzione o repressione della sintesi), un cambiamento nella permeabilità delle membrane cellulari.

2. Ormoni, caratteristiche generali, classificazione degli ormoni per struttura chimica e funzioni biologiche. Il meccanismo d'azione degli ormoni proteici.

3. Il meccanismo d'azione degli ormoni di natura steroidea e della tiroxina.

4. Ormoni dell'ipotalamo. Luliberin, somatostatina, tiroliberina.

5. Ormoni ipofisari. Ormoni dell'ipofisi posteriore: vasopressina, ossitocina.

6. Struttura sintesi e metabolismo delle iodotironine.

7. Influenza di iodotironine su metabolismo. Ipo e ipertiroidismo.

8. Ormoni del midollo surrenale. Struttura, influenza sul metabolismo. biosintesi delle catecolamine.

9. Ormone della crescita, struttura, funzioni.

10. Ormoni delle ghiandole paratiroidi. Regolazione del metabolismo del fosforo-calcio.

11. Insulina. Glucagone. Influenza sul metabolismo.

12. Quadro ormonale del diabete mellito insulino-dipendente

13. Quadro ormonale del diabete mellito non insulino dipendente

14. Ormoni steroidei. Glucocorticoidi.

15. Ormoni sessuali.

16. Sistema renina-angiotensina.

17. Sistema Kallikrein-kinin.

Completa i compiti:

1. Liberini:

A. piccoli peptidi

B. Interagire con i recettori citoplasmatici.

B. Attiva la secrezione di ormoni tropici.

D. Trasmettono un segnale ai recettori della ghiandola pituitaria anteriore.

D. Causa la secrezione di insulina.

2. Scegli l'affermazione sbagliata. campo:

A. Partecipa alla mobilizzazione del glicogeno.

B. Il secondo messaggero del segnale.

B. Attivatore della chinasi proteica.

D. Coenzima adenilato ciclasi.

D. Substrato della fosfodiesterasi.

3. Organizzare gli eventi che si verificano durante la sintesi di iodotironine in ordine necessario, utilizzando designazioni numeriche:

A. Iodio dei residui di tirosina nella tireoglobulina.

B. Sintesi della tireoglobulina.

B. Condensazione di residui di tirosina iodurata.

D. Trasporto di iodotironine nelle cellule bersaglio.

D. Formazione di un complesso con la proteina legante la tiroxina.

4. Disporre i metaboliti elencati nell'ordine della loro formazione:

A. 17-OH-progesterone.

B. Pregnenolone.

B. Colesterolo.

G. Progesterone

D. Cortisolo.

5. Seleziona un ormone la cui sintesi e secrezione aumenta in risposta a un aumento della pressione osmotica:

R. Aldosterone.

B. Cortisolo.

B. Vasopressina.

G. Adrenalina.

D. Glucagone.

6. Sotto l'influenza dell'insulina nel fegato accelerare:

A. Biosintesi delle proteine

B. Biosintesi del glicogeno.

B. Gluconeogenesi.

D. Biosintesi degli acidi grassi.

D. Glicolisi.

7. Per un digiuno di tre giorni, sono vere tutte le seguenti condizioni, tranne:

A. L'indice insulina-glucagone è ridotto.

B. Il tasso di gluconeogenesi dagli amminoacidi è aumentato.

C. Il tasso di sintesi di TAG nel fegato diminuisce.

D. Il tasso di b-ossidazione nel fegato diminuisce.

D. La concentrazione di corpi chetonici nel sangue è superiore al normale.

8. Nel diabete mellito, nel fegato si verifica quanto segue:

A. Accelerazione della sintesi del glicogeno.

B. Diminuzione del tasso di gluconeogenesi dal lattato.

B. Diminuzione del tasso di mobilizzazione del glicogeno.

D. Aumentare la velocità di sintesi dell'acetoacetato.

D. Aumento dell'attività dell'acetil-CoA carbossilasi.

9. Quando i pazienti con NIDDM riscontravano più spesso:

A. Iperglucosemia.

B. Diminuzione del tasso di sintesi dell'insulina.

B. La concentrazione di insulina nel sangue è normale o superiore al normale.

D. Anticorpi contro le cellule b pancreatiche.

D. Microangiopatia.

LABORATORIO 14

Argomento: Costruzione e analisi delle curve glicemiche

Bersaglio: Studiare il metabolismo intermedio dei carboidrati, il ruolo dei carboidrati nel metabolismo energetico. Significato clinico e diagnostico del metodo del carico di zucchero nel diabete mellito, nel morbo di Addison, nell'ipotiroidismo, ecc.

Principio del metodo : La determinazione del glucosio si basa su una reazione catalizzata dalla glucosio ossidasi:

glucosio + O 2 gluconolattone + H 2 O 2

Il perossido di idrogeno che si forma durante questa reazione provoca l'ossidazione dei substrati di perossidasi con la formazione di un prodotto colorato.

Metodo del carico di zucchero: Al mattino a stomaco vuoto, il sangue viene prelevato dal dito del paziente e viene determinata la concentrazione di glucosio nel sangue. Successivamente, dare da bere 50 - 100 g di glucosio in 200 ml di acqua calda bollita (1 g di glucosio per 1 kg di peso) per non più di 5 minuti. Quindi viene riesaminato il contenuto di glucosio nel sangue, prelevando sangue da un dito ogni 30 minuti per 2-3 ore. Un grafico è costruito in coordinate: tempo - la concentrazione di glucosio nel siero del sangue, in base al tipo di grafico, viene fatta o chiarita una diagnosi.

Progresso: Nei campioni di siero (prima e dopo l'assunzione di glucosio) determinare la concentrazione di glucosio. Per fare ciò, 2 ml del reagente di lavoro (tampone fosfato, substrati perossidasi + glucosio ossidasi in un rapporto di 40:1) vengono aggiunti a una serie di provette. 0,05 ml di una soluzione standard di glucosio con una concentrazione di 10 mmol/L vengono aggiunti a una delle provette. In altri - 0,05 ml di siero sanguigno prelevato secondo il metodo del carico di zucchero. Le soluzioni vengono agitate e incubate a temperatura ambiente per 20 minuti.

Dopo l'incubazione, la densità ottica delle soluzioni viene misurata su FEC ad una lunghezza d'onda di 490 nm. Cuvetta con una lunghezza del percorso ottico di 5 mm. Soluzione di riferimento - reagente di lavoro.

Calcolo della concentrazione di glucosio:

C = 10 mmol/l

dove E op - densità ottica nei campioni di siero;

E st - densità ottica di una soluzione di glucosio standard

Risultato dell'analisi:

Programma:

Conclusione:

Data: Firma del docente:

LEZIONE PRATICA

Test3 Regolazione ormonale del metabolismo

Riso. 3. Schema per stimolare la scomposizione del glicogeno aumentando il livello di cAMP

Segnali del citoscheletro

Lo schema a cascata delle interazioni enzimatiche regolato dal cAMP sembra complicato, ma in realtà è ancora più complesso. In particolare, i recettori che si legano ai messaggeri primari influenzano l'attività dell'adenilato ciclasi non direttamente, ma attraverso le cosiddette proteine ​​G (Fig. 4), che lavorano sotto il controllo dell'acido guanina trifosforico (GTP).

E cosa succede quando la normale connessione degli eventi viene disturbata per qualche motivo? Un esempio potrebbe essere il colera. La tossina Vibrio cholerae influenza il livello di GTP e influenza l'attività delle proteine ​​G. Di conseguenza, il livello di cAMP nelle cellule intestinali dei malati di colera è costantemente elevato, il che provoca il trasferimento di grandi quantità di ioni sodio e acqua dalle cellule al lume intestinale. La conseguenza di ciò è la diarrea debilitante e la perdita di acqua da parte del corpo.

Normalmente, sotto l'influenza dell'enzima fosfodiesterasi, il cAMP nella cellula viene rapidamente inattivato, trasformandosi in adenosina monofosfato non ciclico AMP. Il decorso di un'altra malattia, la pertosse, causata dal batterio Bordetella pertussis, è accompagnato dalla formazione di una tossina che inibisce la conversione del cAMP in AMP. Da qui sorgono spiacevoli sintomi della malattia: arrossamento della gola e tosse fino al vomito.

L'attività della fosfodiesterasi, che converte il cAMP in AMP, è influenzata, ad esempio, dalla caffeina e dalla teofillina, che provocano l'effetto stimolante del caffè e del tè.

La diversità degli effetti del cAMP e delle modalità di regolazione della sua concentrazione nelle cellule lo rende un secondo messaggero universale che svolge un ruolo chiave nell'attivazione di varie protein chinasi.

In cellule diverse, il cAMP può portare a effetti completamente diversi. Questo composto non solo partecipa alla scomposizione del glicogeno e dei grassi, ma aumenta anche la frequenza cardiaca, influisce sul rilassamento dei muscoli, controlla l'intensità della secrezione e la velocità di assorbimento dei liquidi. È un secondo messaggero per una serie di diversi ormoni: adrenalina, vasopressina, glucagone, serotonina, prostaglandina, ormone stimolante la tiroide; Il cAMP funziona nelle cellule muscolari scheletriche, nel muscolo cardiaco, nei muscoli lisci, nei reni, nel fegato e nelle piastrine.

La domanda sorge spontanea: perché cellule diverse reagiscono in modo diverso al cAMP? Può anche essere formulato in modo diverso: perché, con un aumento della concentrazione di cAMP in cellule diverse, vengono attivate varie protein chinasi, che fosforilano proteine ​​​​diverse? Questa situazione può essere illustrata con la seguente analogia. Immagina che vari visitatori arrivino costantemente alla porta dell'ufficio: ligandi e messaggeri primari. Allo stesso tempo, suonano in un'unica chiamata: si sente un segnale: un messaggero secondario. Allo stesso tempo, come possono i dipendenti dell'istituto determinare chi è venuto esattamente con una visita e come dovrebbero reagire a questo visitatore?

L'enigma degli ioni calcio

Consideriamo prima cosa succede al secondo messaggero estremamente comune: il calcio, o meglio i suoi ioni. Per la prima volta, il loro ruolo chiave in una serie di reazioni biologiche fu dimostrato già nel 1883, quando Sydney Ringer notò che i muscoli isolati delle rane non si contraggono nell'acqua distillata. Affinché un muscolo si contragga in risposta alla stimolazione elettrica, ha bisogno della presenza di ioni calcio nel suo ambiente.

La sequenza dei principali eventi che si verificano durante la contrazione del muscolo scheletrico è ormai ben nota (Fig. 5). In risposta a un impulso elettrico che raggiunge il muscolo lungo l'assone della cellula nervosa, all'interno cellula muscolare- miofibrille - serbatoi aperti di ioni calcio - serbatoi a membrana, in cui la concentrazione di ioni calcio può essere superiore a quella nel citoplasma, mille o più volte (Fig. 6). Il calcio rilasciato si combina con la proteina troponina C, che è associata ai filamenti di actina che rivestono la superficie interna della cellula. La troponina (Fig. 7) svolge il ruolo di un bloccante che impedisce lo scorrimento dei filamenti di miosina lungo i filamenti di actina. Come risultato dell'aggiunta di calcio alla troponina, il blocco si stacca dal filamento, la miosina scivola sull'actina e il muscolo si contrae (Fig. 8). Non appena l'atto di contrazione termina, speciali proteine ​​- ATPasi di calcio - pompano nuovamente gli ioni di calcio nei serbatoi intracellulari.

La concentrazione di calcio intracellulare è influenzata non solo dagli impulsi nervosi, ma anche da altri segnali. Ad esempio, potrebbe essere già familiare a noi cAMP. In risposta alla comparsa di adrenalina nel sangue e ad un corrispondente aumento della concentrazione di cAMP nelle cellule del muscolo cardiaco, vengono rilasciati ioni calcio in esse, il che porta ad un aumento della frequenza cardiaca.

Le sostanze che influenzano il calcio possono anche essere contenute direttamente nella membrana cellulare. Come è noto, la membrana è costituita da fosfolipidi, tra i quali uno - fosfoinositolo-4, 5-difosfato - svolge un ruolo speciale. Oltre all'inositolo, la molecola di fosfoinositolo-4,5-difosfato contiene due lunghe catene di idrocarburi costituite da 20 e 17 atomi di carbonio (Fig. 9). Sotto l'influenza di alcuni segnali extracellulari e sotto il controllo delle proteine ​​​​G già familiari ai lettori, si staccano, provocando la formazione di due molecole: il diacilglicerolo e l'inositolo trifosfato. Quest'ultimo è coinvolto nel rilascio di calcio intracellulare (Fig. 10). Questo tipo di segnalazione viene utilizzato, ad esempio, nelle uova fecondate della rana artigliata.

La penetrazione del primo di molti spermatozoi nell'uovo pronto per la fecondazione provoca la formazione di inositolo trifosfato nella sua membrana. Di conseguenza, gli ioni di calcio vengono rilasciati dai serbatoi interni e il guscio di un uovo fecondato si gonfia istantaneamente, aprendo la strada all'uovo per gli spermatozoi meno fortunati o meno agili.

Come può qualcosa di semplice come uno ione calcio regolare l'attività delle proteine? Si è scoperto che si lega all'interno della cellula con una speciale proteina calmodulina (Fig. 11). Questa proteina piuttosto grande costituita da 148 residui di aminoacidi, come il cAMP, è stata trovata in quasi tutte le cellule studiate.

Breve descrizione:

Materiale didattico in biochimica e biologia molecolare: La struttura e le funzioni delle membrane biologiche.

MODULO 4: STRUTTURA E FUNZIONI DELLE MEMBRANE BIOLOGICHE

_Temi _

4.1. caratteristiche generali membrane. Struttura e composizione delle membrane

4.2. Trasporto di sostanze attraverso le membrane

4.3. Segnalazione transmembrana _

Obiettivi di apprendimento Essere in grado di:

1. Interpretare il ruolo delle membrane nella regolazione del metabolismo, nel trasporto di sostanze all'interno della cellula e nella rimozione dei metaboliti.

2. Spiegare i meccanismi molecolari di azione degli ormoni e di altre molecole di segnalazione sugli organi bersaglio.

Sapere:

1. La struttura delle membrane biologiche e il loro ruolo nel metabolismo e nell'energia.

2. Le principali modalità di trasferimento di sostanze attraverso le membrane.

3. Principali componenti e stadi della segnalazione transmembrana di ormoni, mediatori, citochine, eicosanoidi.

TEMA 4.1. CARATTERISTICHE GENERALI DELLE MEMBRANE.

STRUTTURA E COMPOSIZIONE DELLE MEMBRANE

Tutte le cellule e gli organelli intracellulari sono circondati da membrane, che svolgono un ruolo importante nella loro organizzazione strutturale e nel loro funzionamento. I principi di base della costruzione di tutte le membrane sono gli stessi. Tuttavia, la membrana plasmatica, così come le membrane del reticolo endoplasmatico, dell'apparato di Golgi, dei mitocondri e del nucleo, hanno caratteristiche strutturali significative, sono uniche nella loro composizione e nella natura delle loro funzioni.

Membrana:

Separare le cellule dall'ambiente e dividerle in compartimenti (compartimenti);

Regolare il trasporto di sostanze nelle cellule e negli organelli e viceversa;

Fornire specificità dei contatti intercellulari;

Ricevono segnali dall'ambiente.

Il funzionamento coordinato dei sistemi di membrana, inclusi recettori, enzimi, sistemi di trasporto, aiuta a mantenere l'omeostasi cellulare e risponde rapidamente ai cambiamenti nello stato dell'ambiente esterno regolando il metabolismo all'interno delle cellule.

Le membrane biologiche sono costituite da lipidi e proteine ​​legate tra loro da non covalente interazioni. La base della membrana è doppio strato lipidico che include molecole proteiche (Fig. 4.1). Il doppio strato lipidico è formato da due righe anfifilico molecole le cui "code" idrofobe sono nascoste all'interno, ei gruppi idrofili - "teste" polari sono rivolti verso l'esterno e sono in contatto con il mezzo acquoso.

1. Lipidi di membrana. I lipidi di membrana contengono sia acidi grassi saturi che insaturi. Gli acidi grassi insaturi sono due volte più comuni degli acidi grassi saturi, il che determina fluidità membrane e labilità conformazionale delle proteine ​​di membrana.

Esistono tre tipi principali di lipidi nelle membrane: fosfolipidi, glicolipidi e colesterolo (Fig. 4.2 - 4.4). Più spesso trovato I glicerofosfolipidi sono derivati ​​dell'acido fosfatidico.

Riso. 4.1. Sezione trasversale della membrana plasmatica

Riso. 4.2. Glicerofosfolipidi.

L'acido fosfatidico è diacilglicerolo fosfato. R 1 , R 2 - radicali di acidi grassi ("code" idrofobiche). Un residuo di acido grasso polinsaturo è legato al secondo atomo di carbonio del glicerolo. La "testa" polare è un residuo di acido fosforico e un gruppo idrofilo di serina, colina, etanolamina o inositolo attaccato ad esso

Ci sono anche lipidi - derivati l'amminoalcol sfingosina.

L'amminoalcol sfingosina dopo acilazione, cioè legando un acido grasso al gruppo NH 2, si trasforma in ceramide. Le ceramidi si distinguono per il loro residuo di acido grasso. Diversi gruppi polari possono essere associati al gruppo OH della ceramide. A seconda della struttura della "testa" polare, questi derivati ​​​​sono divisi in due gruppi: fosfolipidi e glicolipidi. La struttura del gruppo polare degli sfingofosfolipidi (sfingomieline) è simile ai glicerofosfolipidi. Molte sfingomieline si trovano nelle guaine mieliniche delle fibre nervose. I glicolipidi sono derivati ​​dei carboidrati della ceramide. A seconda della struttura del componente carboidrato, si distinguono cerebrosidi e gangliosidi.

colesterolo presente nelle membrane di tutte le cellule animali, irrigidisce le membrane e le riduce fluidità(fluidità). La molecola di colesterolo si trova nella zona idrofobica della membrana parallela alle "code" idrofobe delle molecole di fosfo- e glicolipidi. Il gruppo idrossilico del colesterolo, così come le "teste" idrofile di fosfo- e glicolipidi,

Riso. 4.3. Derivati ​​dell'amminoalcol sfingosina.

Ceramide - sfingosina acilata (R 1 - radicale di acido grasso). I fosfolipidi includono sfingomieline, in cui il gruppo polare è costituito da un residuo di acido fosforico e colina, etanolamina o serina. Il gruppo idrofilo ("testa" polare) dei glicolipidi è un residuo di carboidrati. I cerebrosidi contengono un residuo mono o oligosaccaridico lineare. La composizione dei gangliosidi comprende un oligosaccaride ramificato, una delle unità monomeriche di cui è NANK - acido N-acetilneuraminico

fronte alla fase acquosa. Il rapporto molare di colesterolo e altri lipidi nelle membrane è 0,3-0,9. Questo valore ha il valore più alto per la membrana citoplasmatica.

Un aumento del contenuto di colesterolo nelle membrane riduce la mobilità delle catene di acidi grassi, che influisce sulla labilità conformazionale delle proteine ​​​​di membrana e riduce la possibilità del loro diffusione laterale. Con un aumento della fluidità delle membrane causato dall'azione delle sostanze lipofile su di esse o dalla perossidazione lipidica, aumenta la percentuale di colesterolo nelle membrane.

Riso. 4.4. Posizione nella membrana dei fosfolipidi e del colesterolo.

La molecola di colesterolo è costituita da un nucleo idrofobo rigido e da una catena idrocarburica flessibile. La "testa" polare è il gruppo OH al 3° atomo di carbonio della molecola di colesterolo. Per confronto, la figura mostra una rappresentazione schematica del fosfolipide di membrana. La testa polare di queste molecole è molto più grande e ha una carica

La composizione lipidica delle membrane è diversa, il contenuto dell'uno o dell'altro lipide, apparentemente, è determinato dalla varietà di funzioni che queste molecole svolgono nelle membrane.

Le principali funzioni dei lipidi di membrana sono:

Formano un doppio strato lipidico - la base strutturale delle membrane;

Fornire l'ambiente necessario per il funzionamento delle proteine ​​di membrana;

Partecipare alla regolazione dell'attività enzimatica;

Servire da "ancora" per le proteine ​​di superficie;

Partecipa alla trasmissione dei segnali ormonali.

I cambiamenti nella struttura del doppio strato lipidico possono portare all'interruzione delle funzioni della membrana.

2. Proteine ​​di membrana. Le proteine ​​di membrana differiscono nella loro posizione nella membrana (Fig. 4.5). Le proteine ​​di membrana a contatto con la regione idrofobica del doppio strato lipidico devono essere anfifiliche, cioè hanno un dominio non polare. L'anfifilia si ottiene grazie al fatto che:

I residui amminoacidici a contatto con il doppio strato lipidico sono per lo più apolari;

Molte proteine ​​di membrana sono legate covalentemente a residui di acidi grassi (acilati).

I residui acilici degli acidi grassi attaccati alla proteina forniscono il suo "ancoraggio" nella membrana e la possibilità di diffusione laterale. Inoltre, le proteine ​​di membrana subiscono modifiche post-traduzionali come la glicosilazione e la fosforilazione. La glicosilazione della superficie esterna delle proteine ​​integrali le protegge dai danni causati dalle proteasi dello spazio intercellulare.

Riso. 4.5. Proteine ​​di membrana:

1, 2 - proteine ​​integrali (transmembrana); 3, 4, 5, 6 - proteine ​​​​di superficie. Nelle proteine ​​integrali, parte della catena polipeptidica è incorporata nello strato lipidico. Quelle parti della proteina che interagiscono con le catene di idrocarburi degli acidi grassi contengono prevalentemente amminoacidi non polari. Le regioni della proteina situate nella regione delle "teste" polari sono arricchite in residui di aminoacidi idrofili. Proteine ​​di superficie diversi modi attaccato alla membrana: 3 - associato a proteine ​​​​integrali; 4 - attaccato alle "teste" polari dello strato lipidico; 5 - "ancorato" nella membrana con un breve dominio terminale idrofobo; 6 - "ancorato" nella membrana utilizzando un residuo acilico legato in modo covalente

Gli strati esterno ed interno della stessa membrana differiscono nella composizione di lipidi e proteine. Questa caratteristica nella struttura delle membrane è chiamata asimmetria transmembrana.

Le proteine ​​di membrana possono essere coinvolte in:

Trasporto selettivo di sostanze dentro e fuori la cellula;

Trasmissione di segnali ormonali;

La formazione di "fosse delimitate" coinvolte nell'endocitosi e nell'esocitosi;

Reazioni immunologiche;

Come enzimi nelle trasformazioni delle sostanze;

Organizzazione di contatti intercellulari che forniscono la formazione di tessuti e organi.

TEMA 4.2. TRASPORTO DI SOSTANZE ATTRAVERSO LE MEMBRANE

Una delle funzioni principali delle membrane è la regolazione del trasferimento di sostanze all'interno e all'esterno della cellula, la ritenzione delle sostanze di cui la cellula ha bisogno e la rimozione di quelle non necessarie. Il trasporto di ioni, molecole organiche attraverso le membrane può avvenire lungo un gradiente di concentrazione - trasporto passivo e contro il gradiente di concentrazione - trasporto attivo.

1. Trasporto passivo può essere effettuato nei seguenti modi (Fig. 4.6, 4.7):

Riso. 4.6. Meccanismi di trasferimento di sostanze attraverso le membrane lungo il gradiente di concentrazione

Il trasporto passivo lo è diffusione di ioni attraverso canali proteici, per esempio, diffusione di H+, Ca 2+, N+, K+. Il funzionamento della maggior parte dei canali è regolato da specifici ligandi o cambiamenti nel potenziale transmembrana.

Riso. 4.7. Canale del Ca2+ della membrana del reticolo endoplasmatico regolato dall'inositolo-1,4,5-trifosfato (IF 3).

IP 3 (inositolo-1,4,5-trifosfato) si forma durante l'idrolisi del lipide di membrana PIF 2 (fosfatidilinositolo-4,5-bisfosfato) sotto l'azione dell'enzima fosfolipasi C. IP 3 si lega a centri specifici del Ca 2 + protomeri del canale della membrana del reticolo endoplasmatico. La conformazione della proteina cambia e il canale si apre - Ca 2 + entra nel citosol della cellula lungo il gradiente di concentrazione

2. Trasporto attivo. attivo primario il trasporto avviene contro il gradiente di concentrazione con il dispendio di energia ATP con la partecipazione di ATPasi di trasporto, ad esempio Na +, K + -ATPasi, H + -ATPasi, Ca 2 + -ATPasi (Fig. 4.8). Le H + -ATPasi funzionano come pompe protoniche, che creano un ambiente acido nei lisosomi della cellula. Con l'aiuto di Ca 2+ -ATPasi della membrana citoplasmatica e della membrana del reticolo endoplasmatico, viene mantenuta una bassa concentrazione di calcio nel citosol della cellula e viene creato un deposito intracellulare di Ca 2+ nei mitocondri e nell'endoplasma reticolo.

attivo secondario il trasporto avviene a causa del gradiente di concentrazione di una delle sostanze trasportate (Fig. 4.9), che viene spesso creato da Na +, K + -ATPasi, che funziona con il consumo di ATP.

L'attaccamento al centro attivo della proteina vettore di una sostanza la cui concentrazione è maggiore ne modifica la conformazione e aumenta l'affinità per il composto che passa nella cellula contro il gradiente di concentrazione. Esistono due tipi di trasporto attivo secondario: simpatia attiva E antiporto.

Riso. 4.8. Il meccanismo di funzionamento di Ca 2 + -ATPase

Riso. 4.9. trasporto attivo secondario

3. Trasferimento di macromolecole e particelle con la partecipazione di membrane - endocitosi ed esocitosi.

Trasferimento dall'ambiente extracellulare nella cellula di macromolecole, come proteine, acidi nucleici, polisaccaridi o particelle ancora più grandi, avviene per endocitosi. Il legame di sostanze o complessi ad alto peso molecolare avviene in alcune aree della membrana plasmatica, che vengono chiamate fosse rivestite. L'endocitosi, che si verifica con la partecipazione di recettori incorporati nelle fosse delimitate, consente alle cellule di assorbire sostanze specifiche e si chiama endocitosi recettore-dipendente.

Macromolecole come gli ormoni peptidici enzimi digestivi, proteine ​​della matrice extracellulare, complessi lipoproteici, sono secreti nel sangue o nello spazio intercellulare da esocitosi. Questa modalità di trasporto consente di rimuovere dalle cellule le sostanze che si accumulano nei granuli secretori. Nella maggior parte dei casi, l'esocitosi è regolata modificando la concentrazione di ioni calcio nel citoplasma delle cellule.

TEMA 4.3. SEGNALAZIONE TRANSMEMBRANEA

Una proprietà importante delle membrane è la capacità di percepire e trasmettere segnali dall'ambiente all'interno della cellula. La percezione da parte delle cellule di segnali esterni si verifica quando interagiscono con i recettori situati nella membrana delle cellule bersaglio. I recettori, attaccando una molecola segnale, attivano percorsi di trasferimento di informazioni intracellulari, che portano a un cambiamento nella velocità di vari processi metabolici.

1. Molecola segnale, che interagisce specificamente con un recettore di membrana messaggero primario. Vari composti chimici agiscono come messaggeri primari: ormoni, neurotrasmettitori, eicosanoidi, fattori di crescita o fattori fisici, come un quanto di luce. I recettori della membrana cellulare attivati ​​dai messaggeri primari trasmettono le informazioni ricevute a un sistema di proteine ​​ed enzimi che si formano cascata di trasmissione del segnale, fornendo l'amplificazione del segnale di diverse centinaia di volte. Il tempo di risposta della cellula, che consiste nell'attivazione o inattivazione dei processi metabolici, nella contrazione muscolare, nel trasporto di sostanze dalle cellule bersaglio, può essere di diversi minuti.

Membrana recettori suddiviso in:

Recettori contenenti una subunità che lega il messaggero primario e un canale ionico;

Recettori in grado di esibire attività catalitica;

Recettori che, con l'aiuto delle proteine ​​G, attivano la formazione di messaggeri secondari (intracellulari) che trasmettono un segnale a specifiche proteine ​​ed enzimi del citosol (Fig. 4.10).

I secondi messaggeri hanno un piccolo peso molecolare, si diffondono ad alta velocità nel citosol della cellula, cambiano l'attività delle proteine ​​corrispondenti e quindi si dividono rapidamente o vengono rimossi dal citosol.

Riso. 4.10. Recettori situati nella membrana.

I recettori di membrana possono essere suddivisi in tre gruppi. Recettori: 1 - contenente una subunità che lega la molecola segnale e il canale ionico, ad esempio il recettore dell'acetilcolina sulla membrana postsinaptica; 2 - esibendo attività catalitica dopo l'aggiunta di una molecola segnale, ad esempio il recettore dell'insulina; 3, 4 - trasmissione di un segnale all'enzima adenilato ciclasi (AC) o fosfolipasi C (PLC) con la partecipazione delle proteine ​​​​G di membrana, ad esempio tipi diversi recettori per adrenalina, acetilcolina e altre molecole di segnalazione

Ruolo messaggeri secondari eseguire molecole e ioni:

CAMP (adenosina ciclica-3",5"-monofosfato);

CGMP (guanosina ciclica-3",5"-monofosfato);

IP 3 (inositolo-1,4,5-trifosfato);

DAG (diacilglicerolo);

Esistono ormoni (steroidei e tiroidei) che, passando attraverso il doppio strato lipidico, entrare nella cella e interagire con recettori intracellulari. Una differenza fisiologicamente importante tra i recettori di membrana e quelli intracellulari è la velocità di risposta a un segnale in ingresso. Nel primo caso, l'effetto sarà rapido e di breve durata, nel secondo lento, ma duraturo.

Recettori accoppiati a proteine ​​G

L'interazione degli ormoni con i recettori accoppiati alla proteina G porta all'attivazione del sistema di trasduzione del segnale dell'inositolo fosfato o ai cambiamenti nell'attività del sistema di regolazione dell'adenilato ciclasi.

2. Sistema adenilato ciclasi comprende (Fig. 4.11):

- integrante proteine ​​della membrana citoplasmatica:

R s - recettore del messaggero primario - attivatore del sistema adenilato ciclasi (ACS);

R; - recettore del messaggero primario - inibitore ACS;

L'enzima adenilato ciclasi (AC).

- "ancorato" proteine:

G s - Proteina legante GTP, costituita da subunità α, βγ, in cui (subunità α, è associata alla molecola del PIL;

Riso. 4.11. Funzionamento del sistema dell'adenilato ciclasi

G; - proteina legante GTP, costituita da subunità αβγ, in cui a; -la subunità è associata alla molecola del PIL; - citosolico enzima proteina chinasi A (PKA).

Sequenza di eventi di trasduzione del segnale del messaggero primario da parte del sistema dell'adenilato ciclasi

Il recettore ha siti di legame per il messaggero primario sulla superficie esterna della membrana e la proteina G (α,βγ-GDP) sulla superficie interna della membrana. L'interazione di un attivatore del sistema dell'adenilato ciclasi, come un ormone con un recettore (R s), porta a un cambiamento nella conformazione del recettore. L'affinità del recettore per la proteina G.. aumenta. L'attaccamento del complesso ormone-recettore a GS-GDP riduce l'affinità della subunità α, della proteina G.. per il PIL e aumenta l'affinità per GTP. IN centro attivo La subunità α,-GDP è sostituita da GTP. Ciò provoca un cambiamento nella conformazione della subunità α e una diminuzione della sua affinità per le subunità βγ. La subunità distaccata α,-GTP si sposta lateralmente nello strato lipidico della membrana verso l'enzima adenilato ciclasi.

L'interazione di α,-GTP con il centro regolatore dell'adenilato ciclasi modifica la conformazione dell'enzima, porta alla sua attivazione e ad un aumento del tasso di formazione del secondo messaggero - adenosina-3,5'-monofosfato ciclico (cAMP) dall'ATP. La concentrazione di cAMP aumenta nella cellula. Le molecole di cAMP possono legarsi in modo reversibile alle subunità regolatorie della protein chinasi A (PKA), che consiste di due subunità regolatorie (R) e due subunità catalitiche (C) - (R 2 C 2). Il complesso R 2 C 2 non possiede attività enzimatica. L'attaccamento del cAMP alle subunità regolatrici provoca un cambiamento nella loro conformazione e la perdita di complementarità con le subunità C. Le subunità catalitiche acquisiscono attività enzimatica.

La protein chinasi A attiva, con l'aiuto dell'ATP, fosforila proteine ​​specifiche nei residui di serina e treonina. La fosforilazione di proteine ​​​​ed enzimi aumenta o diminuisce la loro attività, quindi cambia la velocità dei processi metabolici a cui partecipano.

L'attivazione della molecola di segnalazione del recettore R stimola il funzionamento della proteina Gj, che procede secondo le stesse regole della proteina G.. Ma quando la subunità α i -GTP interagisce con l'adenilato ciclasi, l'attività dell'enzima diminuisce.

Inattivazione dell'adenilato ciclasi e della protein chinasi A

La subunità α, in complesso con GTP, quando interagisce con l'adenilato ciclasi, inizia a mostrare attività enzimatica (GTP-fosfatasi), idrolizza GTP. La molecola PIL risultante rimane nel centro attivo della subunità α, cambia la sua conformazione e riduce la sua affinità per AC. Il complesso di AC e α,-GDP si dissocia, α,-GDP è incluso nella proteina G... La separazione di α,-GDP dall'adenilato ciclasi inattiva l'enzima e interrompe la sintesi di cAMP.

Fosfodiesterasi- l'enzima "ancorato" della membrana citoplasmatica idrolizza le molecole di cAMP precedentemente formate ad AMP. Una diminuzione della concentrazione di cAMP nella cellula provoca la scissione del complesso cAMP 4 K " 2 e aumenta l'affinità delle subunità R e C e si forma una forma inattiva di PKA.

Enzimi e proteine ​​fosforilati fosfoproteina fosfatasi passano nella forma defosforilata, la loro conformazione, attività e velocità dei processi a cui questi enzimi partecipano cambiano. Di conseguenza, il sistema ritorna al suo stato originale ed è pronto per essere riattivato quando l'ormone interagisce con il recettore. Pertanto, è assicurata la corrispondenza del contenuto ormonale nel sangue e l'intensità della risposta delle cellule bersaglio.

3. Partecipazione del sistema dell'adenilato ciclasi alla regolazione dell'espressione genica. Molti ormoni proteici: glucagone, vasopressina, ormone paratiroideo, ecc., che trasmettono il loro segnale attraverso il sistema dell'adenilato ciclasi, possono non solo causare un cambiamento nella velocità delle reazioni mediante fosforilazione degli enzimi già presenti nella cellula, ma anche aumentare o diminuire il loro numero regolando l'espressione genica (Fig. 4.12). La protein chinasi A attiva può passare nel nucleo e fosforilare un fattore di trascrizione (CREB). Adesione di fosforico

Riso. 4.12. Percorso dell'adenilato ciclasi che porta all'espressione di geni specifici

Il residuo aumenta l'affinità del fattore di trascrizione (CREB-(P) per la sequenza specifica della zona regolatoria del DNA-CRE (elemento di risposta cAMP) e stimola l'espressione di alcuni geni proteici.

Le proteine ​​​​sintetizzate possono essere enzimi, un aumento della cui quantità aumenta la velocità delle reazioni dei processi metabolici o portatori di membrana che assicurano l'ingresso o l'uscita dalla cellula di determinati ioni, acqua o altre sostanze.

Riso. 4.13. Sistema inositolo fosfato

Il lavoro del sistema è fornito dalle proteine: calmodulina, enzima protein chinasi C, Ca 2 + -calmodulina-dipendente protein chinasi, canali Ca 2 + regolati della membrana del reticolo endoplasmatico, Ca 2 + -ATPasi delle membrane cellulari e mitocondriali.

Sequenza di eventi di trasduzione del segnale messaggero primario da parte del sistema inositolo fosfato

Il legame dell'attivatore del sistema inositolo fosfato al recettore (R) porta a un cambiamento nella sua conformazione. L'affinità del recettore per la proteina Gf ls aumenta. L'attaccamento del complesso primario messaggero-recettore a Gf ​​ls-GDP riduce l'affinità della subunità af ls per il PIL e aumenta l'affinità per GTP. Nel sito attivo, la subunità af ls del PIL è sostituita da GTP. Ciò provoca un cambiamento nella conformazione della subunità af ls e una diminuzione dell'affinità per le subunità βγ, e si verifica la dissociazione della proteina Gf ls. La subunità distaccata af ls-GTP si sposta lateralmente attraverso la membrana verso l'enzima fosfolipasi C.

L'interazione di aphls-GTP con il sito di legame della fosfolipasi C modifica la conformazione e l'attività dell'enzima, aumenta il tasso di idrolisi del fosfolipide della membrana cellulare - fosfatidilinositolo-4,5-bisfosfato (FIF 2) (Fig. 4.14).

Riso. 4.14. Idrolisi del fosfatidilinositolo-4,5-bisfosfato (FIF 2)

Durante la reazione si formano due prodotti: messaggeri secondari del segnale ormonale (messaggeri secondari): diacilglicerolo, che rimane nella membrana ed è coinvolto nell'attivazione dell'enzima protein chinasi C e inositolo-1,4,5-trifosfato (IF 3), che, essendo un composto idrofilo, entra nel citosol. Pertanto, il segnale ricevuto dal recettore cellulare è biforcato. IP 3 si lega a centri specifici del canale Ca 2+ della membrana del reticolo endoplasmatico (E), che porta a un cambiamento nella conformazione proteica e all'apertura del canale Ca 2+. Poiché la concentrazione di calcio nell'ER è di circa 3-4 ordini di grandezza superiore a quella nel citosol, dopo l'apertura del canale Ca 2+, entra nel citosol lungo il gradiente di concentrazione. In assenza di IF 3 nel citosol, il canale è chiuso.

Il citosol di tutte le cellule contiene una piccola proteina chiamata calmodulina, che ha quattro siti di legame del Ca 2+. Con concentrazione crescente

calcio, si attacca attivamente alla calmodulina, formando un complesso 4Са 2+ -calmodulina. Questo complesso interagisce con le protein chinasi Ca 2+ -calmodulina-dipendenti e altri enzimi e ne aumenta l'attività. La protein chinasi Ca 2+-calmodulina-dipendente attivata fosforila determinate proteine ​​ed enzimi, a seguito dei quali la loro attività e la velocità dei processi metabolici a cui partecipano cambiano.

Aumentando la concentrazione di Ca 2+ nel citosol della cellula aumenta la velocità di interazione di Ca 2 + con un enzima citosolico inattivo proteina chinasi C (PKC). Il legame della PKC agli ioni calcio stimola il movimento della proteina verso la membrana plasmatica e consente all'enzima di interagire con le "teste" caricate negativamente delle molecole di fosfatidilserina (PS) di membrana. Il diacilglicerolo, occupando siti specifici nella protein chinasi C, aumenta ulteriormente la sua affinità per gli ioni calcio. Sul lato interno della membrana si forma una forma attiva di PKC (PKC? Ca2+? PS? DAG) che fosforila enzimi specifici.

L'attivazione del sistema IF è di breve durata e, dopo che la cellula ha risposto allo stimolo, la fosfolipasi C, la protein chinasi C e gli enzimi Ca2+-calmodulina-dipendenti vengono inattivati. af ls - La subunità in complesso con GTP e fosfolipasi C mostra attività enzimatica (GTP-fosfatasi), idrolizza GTP. La subunità af ls legata al PIL perde la sua affinità per la fosfolipasi C e ritorna al suo stato inattivo originale, cioè è inclusa nel complesso αβγ-GDP Gf ls-proteina).

La separazione di af ls-GDF dalla fosfolipasi C inattiva l'enzima e l'idrolisi di FIF 2 si ferma. Un aumento della concentrazione di Ca 2+ nel citosol attiva la Ca 2+ -ATPasi del reticolo endoplasmatico, la membrana citoplasmatica, che “pompa” Ca 2 + dal citosol della cellula. A questo processo partecipano anche i portatori Na+/Ca 2+- e H+/Ca 2+, che funzionano secondo il principio dell'antiporto attivo. Una diminuzione della concentrazione di Ca 2+ porta alla dissociazione e all'inattivazione degli enzimi Ca 2+ -calmodulina-dipendenti, nonché una perdita dell'affinità della proteina chinasi C per i lipidi di membrana e una diminuzione della sua attività.

IP 3 e DAG formati come risultato dell'attivazione del sistema possono nuovamente interagire tra loro e trasformarsi in fosfatidilinositolo-4,5-bisfosfato.

Gli enzimi e le proteine ​​​​fosforilate sotto l'azione della fosfoproteina fosfatasi si trasformano in una forma defosforilata, la loro conformazione e attività cambiano.

5. Recettori catalitici. I recettori catalitici sono enzimi. Gli attivatori di questi enzimi possono essere ormoni, fattori di crescita, citochine. Nella forma attiva, i recettori-enzimi fosforilano proteine ​​specifiche nei gruppi -OH della tirosina, quindi sono chiamati tirosina protein chinasi (Fig. 4.15). Attraverso speciali meccanismi, il segnale ricevuto dal recettore catalitico può essere trasmesso al nucleo, dove stimola o sopprime l'espressione di determinati geni.

Riso. 4.15. Attivazione del recettore dell'insulina.

La fosfoproteina fosfatasi defosforila specifiche fosfoproteine.

La fosfodiesterasi converte cAMP in AMP e cGMP in GMP.

GLUT 4 - trasportatori di glucosio nei tessuti insulino-dipendenti.

La proteina tirosina fosfatasi defosforila la subunità β del recettore

insulina

Un esempio di un recettore catalitico è recettore dell'insulina, che consiste di due subunità α e due β. le subunità a si trovano sulla superficie esterna della membrana cellulare, le subunità β penetrano nel doppio strato della membrana. Il sito di legame dell'insulina è formato dai domini N-terminali delle subunità α. Il centro catalitico del recettore si trova sui domini intracellulari delle subunità β. La porzione citosolica del recettore ha diversi residui di tirosina che possono essere fosforilati e defosforilati.

L'attaccamento dell'insulina al sito di legame formato dalle subunità α provoca cambiamenti conformazionali cooperativi nel recettore. Le subunità β mostrano attività tirosina chinasica e catalizzano la transautofosforilazione (la prima subunità β fosforila la seconda subunità β e viceversa) in diversi residui di tirosina. La fosforilazione porta a un cambiamento nella carica, nella conformazione e nella specificità del substrato dell'enzima (Tyr-PA). La tirosina-PK fosforila alcune proteine ​​cellulari, che sono chiamate substrati del recettore dell'insulina. A loro volta, queste proteine ​​sono coinvolte nell'attivazione di una cascata di reazioni di fosforilazione:

fosfoproteina fosfatasi(FPF), che defosforila specifiche fosfoproteine;

fosfodiesterasi, che converte cAMP in AMP e cGMP in GMP;

GLUT 4- trasportatori di glucosio nei tessuti insulino-dipendenti, quindi, aumenta l'assorbimento di glucosio nelle cellule muscolari e del tessuto adiposo;

tirosina fosfatasi proteica che defosforila la subunità β del recettore dell'insulina;

proteine ​​regolatorie nucleari, fattori di trascrizione, aumentare o diminuire l'espressione genica di alcuni enzimi.

Implementazione dell'effetto Fattori di crescita può essere effettuato utilizzando recettori catalitici, che consistono in una singola catena polipeptidica, ma formano dimeri dopo il legame del messaggero primario. Tutti i recettori di questo tipo hanno un dominio glicosilato extracellulare, una transmembrana (a-helix) e un dominio citoplasmatico in grado di esibire attività di protein chinasi all'attivazione.

La dimerizzazione promuove l'attivazione dei loro domini intracellulari catalitici, che effettuano la transautofosforilazione ai residui amminoacidici di serina, treonina o tirosina. L'attaccamento di residui di fosforo porta alla formazione di siti di legame per specifiche proteine ​​citosoliche nel recettore e all'attivazione della cascata di trasduzione del segnale della proteina chinasi (Fig. 4.16).

La sequenza di eventi di trasmissione del segnale dei messaggeri primari (fattori di crescita) con la partecipazione delle proteine ​​​​Ras e Raf.

Il legame del recettore (R) al fattore di crescita (GF) porta alla sua dimerizzazione e transautofosforilazione. Il recettore fosforilato acquisisce affinità per la proteina Grb2. Il complesso FR*R*Grb2 formato interagisce con la proteina SOS citosolica. Cambio di conformazione SOS

assicura la sua interazione con la proteina di membrana Ras-GDF ancorata. La formazione del complesso FR?R?Grb2?SOS?Ras-GDP riduce l'affinità della proteina Ras per il PIL e aumenta l'affinità per GTP.

La sostituzione del PIL con il GTP modifica la conformazione della proteina Ras, che viene rilasciata dal complesso e interagisce con la proteina Raf nella regione della membrana. Il complesso Ras-GTP-Raf esibisce l'attività della chinasi proteica e fosforila l'enzima chinasi MEK. La chinasi MEK attivata a sua volta fosforila la chinasi MAP a treonina e tirosina.

Fig.4.16. Cascata MAP chinasi.

I recettori di questo tipo hanno il fattore di crescita epidermico (EGF), il fattore di crescita nervoso (NGF) e altri fattori di crescita.

Grb2 - una proteina che interagisce con il recettore del fattore di crescita (proteina legante il recettore della crescita); SOS (GEF) - Fattore di scambio PIL-GTP (fattore di scambio nucleotidico della guanina); Ras - proteina G (guanidina trifosfatasi); Raf-chinasi - nella sua forma attiva - MEK-chinasi fosforilante; MEK chinasi - MAP chinasi chinasi; MAP chinasi - protein chinasi attivata dal mitogeno (protein chinasi attivata dal mitogeno)

L'attaccamento del gruppo -PO 3 2 - ai radicali amminoacidici della MAP chinasi ne modifica la carica, la conformazione e l'attività. L'enzima fosforila proteine ​​specifiche di membrane, citosol e nucleo per serina e treonina.

I cambiamenti nell'attività di queste proteine ​​influenzano la velocità dei processi metabolici, il funzionamento delle traslocasi di membrana e l'attività mitotica delle cellule bersaglio.

Recettori con attività della guanilato ciclasi sono anche chiamati recettori catalitici. Guanilato ciclasi catalizza la formazione di cGMP da GTP, che è uno degli importanti messaggeri (mediatori) della trasmissione del segnale intracellulare (Fig. 4.17).

Riso. 4.17. Regolazione dell'attività della guanilato ciclasi di membrana.

La guanilato ciclasi (GC) legata alla membrana è una glicoproteina transmembrana. Il centro di legame della molecola segnale si trova sul dominio extracellulare, il dominio intracellulare della guanilato ciclasi mostra attività catalitica come risultato dell'attivazione

L'attaccamento del messaggero primario al recettore attiva la guanilato ciclasi, che catalizza la conversione del GTP in guanosina-3,5'-monofosfato ciclico (cGMP), il secondo messaggero. La concentrazione di cGMP aumenta nella cellula. Le molecole di cGMP possono attaccarsi in modo reversibile ai centri regolatori della protein chinasi G (PKG5), che consiste di due subunità. Quattro molecole di cGMP cambiano la conformazione e l'attività dell'enzima. La protein chinasi G attiva catalizza la fosforilazione di alcune proteine ​​ed enzimi nel citosol cellulare. Uno dei principali messaggeri della protein chinasi G è il fattore natriuretico atriale (ANF), che regola l'omeostasi dei fluidi nel corpo.

6. Trasmissione del segnale mediante recettori intracellulari. Gli ormoni chimicamente idrofobici (ormoni steroidei e tiroxina) possono diffondersi attraverso le membrane, quindi i loro recettori si trovano nel citosol o nel nucleo cellulare.

I recettori citosolici sono associati a una proteina chaperone che impedisce l'attivazione prematura del recettore. I recettori nucleari e citosolici per gli ormoni steroidei e tiroidei contengono un dominio di legame al DNA che assicura l'interazione del complesso ormone-recettore con le regioni regolatrici del DNA nel nucleo e le variazioni della velocità di trascrizione.

Sequenza di eventi che portano a un cambiamento nella velocità di trascrizione

L'ormone passa attraverso il doppio strato lipidico della membrana cellulare. Nel citosol o nel nucleo, l'ormone interagisce con il recettore. Il complesso ormone-recettore passa nel nucleo e si attacca alla sequenza nucleotidica regolatrice del DNA - intensificatore(Fig. 4.18) o silenziatore. La disponibilità del promotore per la RNA polimerasi aumenta all'interazione con un potenziatore o diminuisce all'interazione con un silenziatore. Di conseguenza, il tasso di trascrizione di alcuni geni strutturali aumenta o diminuisce. Gli mRNA maturi vengono rilasciati dal nucleo. La velocità di traduzione di alcune proteine ​​aumenta o diminuisce. Cambiamenti nella quantità di proteine ​​che influenzano il metabolismo e stato funzionale cellule.

In ogni cellula ci sono recettori inclusi in diversi sistemi di trasduttori di segnale che trasformano tutto segnali esterni in intracellulare. Il numero di recettori per un particolare primo messaggero può variare da 500 a oltre 100.000 per cellula. Si trovano sulla membrana a distanza l'uno dall'altro o concentrati in determinate aree di essa.

Riso. 4.18. Trasmissione del segnale ai recettori intracellulari

b) selezionare dalla tabella i lipidi coinvolti in:

1. Attivazione della protein chinasi C

2. Reazioni di formazione di DAG sotto l'azione della fosfolipasi C

3. Formazione delle guaine mieliniche delle fibre nervose

c) scrivere la reazione di idrolisi del lipide scelto al paragrafo 2;

d) indicare quale dei prodotti di idrolisi è coinvolto nella regolazione del canale Ca 2 + del reticolo endoplasmatico.

2. Scegli le risposte giuste.

La labilità conformazionale delle proteine ​​carrier può essere influenzata da:

B. Variazione del potenziale elettrico attraverso la membrana

B. Attaccamento di molecole specifiche D. Composizione in acidi grassi dei lipidi a doppio strato E. Quantità di sostanza trasportata

3. Partita impostata:

A. Canale del calcio ER B. Ca 2 +-ATPasi

D. Ka + vettore dipendente Ca 2 + D. N +, K + -ATPase

1. Trasporta Na+ lungo il gradiente di concentrazione

2. Funziona con il meccanismo della diffusione facilitata

3. Trasporta Na+ contro il gradiente di concentrazione

4. Trasferisci il tavolo. 4.2. quaderno e compilarlo.

Tabella 4.2. Sistemi di adenilato ciclasi e inositolo fosfato

Struttura e fasi di funzionamento	Sistema adenilato ciclasi	Sistema inositolo fosfato
Esempio di messaggero principale di un sistema
Proteina integrale della membrana cellulare che interagisce in modo complementare con il messaggero primario
Proteina di attivazione dell'enzima di segnalazione
Sistema enzimatico che forma messaggero(i) secondario(i)
Messaggeri secondari del sistema
Citosolico (e) enzima (i) del sistema che interagisce (e) con un secondo messaggero
Il meccanismo di regolazione (in questo sistema) dell'attività degli enzimi delle vie metaboliche
Meccanismi per ridurre la concentrazione di secondi messaggeri nella cellula bersaglio
La ragione della diminuzione dell'attività dell'enzima di membrana del sistema di segnalazione

COMPITI PER L'AUTOCONTROLLO

1. Partita impostata:

A. Simporto passivo B. Antiporto passivo

B. Endocitosi D. Esocitosi

D. Trasporto attivo primario

1. Il trasporto di una sostanza nella cellula avviene insieme a una parte della membrana plasmatica

2. Contemporaneamente, due diverse sostanze passano nella cellula lungo il gradiente di concentrazione

3. Il trasporto di sostanze va contro il gradiente di concentrazione

2. Scegli la risposta corretta.

ag-La subunità della proteina G associata al GTP si attiva:

A. recettore

B. Proteina chinasi A

B. Fosfodiesterasi D. Adenilato ciclasi E. Proteina chinasi C

3. Imposta una partita.

Funzione:

A. Regola l'attività del recettore catalitico B. Attiva la fosfolipasi C

B. Converte la proteina chinasi A nella sua forma attiva

D. Aumenta la concentrazione di Ca 2+ nel citosol della cellula E. Attiva la protein chinasi C

Secondo messaggero:

4. Imposta una partita.

Funzionamento:

A. Capace di diffusione laterale nel doppio strato di membrana

B. In combinazione con il messaggero principale, si unisce al potenziatore

B. Mostra attività enzimatica quando interagisce con il messaggero primario

G. Può interagire con la proteina G

D. Interagisce con la fosfolipasi C durante la trasmissione del segnale Recettore:

1. Insulina

2. Adrenalina

3. Ormone steroideo

5. Completa l'attività "catena":

UN) gli ormoni peptidici interagiscono con i recettori:

A. Nel citosol della cellula

B. Proteine ​​integrali delle membrane delle cellule bersaglio

B. Nel nucleo cellulare

G. Legato in modo covalente a FIF 2

B) l'interazione di un tale recettore con un ormone provoca un aumento della concentrazione nella cellula:

A. Ormone

B. Metaboliti intermedi

B. Secondi messaggeri D. Proteine ​​nucleari

V) queste molecole possono essere:

A. TAG B. GTP

B. FIF 2 D. cAMP

G) attivano:

A. Adenilato ciclasi

B. Calmodulina Ca 2+ -dipendente

B. Proteina chinasi A D. Fosfolipasi C

e) questo enzima modifica la velocità dei processi metabolici nella cellula mediante:

A. Aumento della concentrazione di Ca 2 + nel citosol B. Fosforilazione degli enzimi regolatori

B. Attivazione della protenfosfatasi

D. Cambiamenti nell'espressione dei geni proteici regolatori

6. Completa l'attività "catena":

UN) l'attaccamento di un fattore di crescita (GF) al recettore (R) porta a:

A. Cambiamenti nella localizzazione del complesso FR-R

B. Dimerizzazione e transautofosforilazione del recettore

B. Cambiamento nella conformazione del recettore e attaccamento alla proteina Gs D. Movimento del complesso FR-R

B) tali cambiamenti nella struttura del recettore aumentano la sua affinità per la proteina di superficie della membrana:

B. Raf G. Grb2

V) questa interazione aumenta la probabilità di attaccamento al complesso proteico citosolico:

A. Calmodulina B. Ras

B. PZ D. SOS

G) che aumenta la complementarità del complesso alla proteina "ancorata":

e) un cambiamento nella conformazione della proteina "ancorata" riduce la sua affinità per:

A. cAMP B. GTP

B. GDF G. ATP

e) questa sostanza è sostituita da:

A. GDF B. AMP

B. cGMP D. GTP

E) l'attaccamento di un nucleotide promuove l'interazione della proteina "ancorata" con:

A. PKA B. Calmodulina

H) Questa proteina fa parte di un complesso che fosforila:

A. MEK chinasi B. Proteina chinasi C

B. Proteina chinasi A D. MAP chinasi

E) Questo enzima a sua volta attiva:

A. MEK chinasi B. Proteina chinasi G

B. Proteina Raf D. MAP chinasi

j) la fosforilazione proteica aumenta la sua affinità per:

A. Proteine ​​SOS e Raf B. Proteine ​​regolatrici nucleari B. Calmodulina D. Recettori nucleari

k) l'attivazione di queste proteine ​​porta a:

A. Defosforilazione del GTP nel centro attivo della proteina Ras B. Diminuzione dell'affinità del recettore per il fattore di crescita

B. Aumento del tasso di biosintesi della matrice D. Dissociazione del complesso SOS-Grb2

m) in conseguenza di ciò:

R. La proteina SOS viene rilasciata dal recettore

B. Si verifica la dissociazione dei protomeri del recettore (R).

B. La proteina Ras si separa dalla proteina Raf

D. L'attività proliferativa della cellula bersaglio aumenta.

STANDARD DI RISPOSTA AI "COMPITI PER L'AUTOCONTROLLO"

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

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

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

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

6. a) Si, b) Re, c) Re, d) La, e) Si, f) Re, g) Re, h) La, i) Re, j) Do, l) Do, m) Re

TERMINI E CONCETTI DI BASE

1. Struttura e funzioni delle membrane

2. Trasporto di sostanze attraverso le membrane

3. Caratteristiche strutturali delle proteine ​​di membrana

4. Sistemi di trasduzione del segnale transmembrana (adenilato ciclasi, inositolo fosfato, guanilato ciclasi, recettori catalitici e intracellulari)

5. Messaggeri primari

6. Messaggeri secondari (intermediari)

COMPITI PER LAVORO AUDIZIONALE

1. Vedi fig. 4.19 e completare le seguenti attività:

a) indicare il modo di trasporto;

b) impostare l'ordine degli eventi:

A. Cl - lascia la cellula lungo il gradiente di concentrazione

B. La proteina chinasi A fosforila la subunità R del canale

B. Cambiamenti di conformazione della subunità R

D. Si verificano cambiamenti conformazionali cooperativi nella proteina di membrana

D. Il sistema adenilato ciclasi è attivato

Riso. 4.19. Funzionamento del canale C1 dell'endotelio intestinale.

R è una proteina regolatrice che viene convertita in una forma fosforilata dall'azione della protein chinasi A (PKA)

c) confrontare il funzionamento del canale del Ca 2+ della membrana del reticolo endoplasmatico e del canale del Cl della cellula endoteliale intestinale, compilando la tabella. 4.3.

Tabella 4.3. Modi per regolare il funzionamento dei canali

Risolvere problemi

1. La contrazione del muscolo cardiaco attiva Ca 2 +, il cui contenuto nel citosol della cellula aumenta a causa del funzionamento dei portatori cAMP-dipendenti della membrana citoplasmatica. A sua volta, la concentrazione di cAMP nelle cellule è regolata da due molecole segnale: adrenalina e acetilcolina. Inoltre, è noto che l'adrenalina, interagendo con i recettori β 2 -adrenergici, aumenta la concentrazione di cAMP nelle cellule miocardiche e stimola gittata cardiaca e l'acetilcolina, interagendo con i recettori colinergici M 2, riduce il livello di cAMP e la contrattilità miocardica. Spiega perché due messaggeri primari, utilizzando lo stesso sistema di trasduzione del segnale, suscitano una risposta cellulare diversa. Per questo:

a) presentare lo schema di trasduzione del segnale per adrenalina e acetilcolina;

b) indicare la differenza nelle cascate di segnalazione di questi messaggeri.

2. L'acetilcolina, interagendo con i recettori colinergici M 3 delle ghiandole salivari, stimola il rilascio di Ca 2+ dal RE. Un aumento della concentrazione di Ca 2+ nel citosol assicura l'esocitosi dei granuli secretori e il rilascio di elettroliti e una piccola quantità di proteine ​​nel dotto salivare. Spiegare come sono regolati i canali Ca 2+ dell'ER. Per questo:

a) nominare il secondo messaggero che fornisce l'apertura dei canali ER Ca 2+;

b) scrivere la reazione per la formazione di un secondo messaggero;

c) presentare lo schema di trasduzione del segnale transmembrana dell'acetilcolina, durante la cui attivazione il ligando regolatore Ca 2+ -can-

3. I ricercatori del recettore dell'insulina hanno identificato un cambiamento significativo nel gene di una proteina, uno dei substrati del recettore dell'insulina. In che modo un'interruzione nella struttura di questa proteina influenzerà il funzionamento del sistema di segnalazione dell'insulina? Rispondere a una domanda:

a) fornire un diagramma della segnalazione transmembrana dell'insulina;

b) denominare le proteine ​​e gli enzimi che attivano l'insulina nelle cellule bersaglio, indicarne la funzione.

4. La proteina Ras è una proteina "ancorata" nella membrana citoplasmatica. La funzione dell '"ancora" è svolta dal residuo di 15 atomi di carbonio del farnesil H 3 C-(CH 3) C \u003d CH-CH 2 - [CH 2 - (CH 3) C \u003d CH-CH 2 ] 2 -, che è attaccato alla proteina dall'enzima farnesiltransferasi durante la modifica post-traduzionale. Attualmente, gli inibitori di questo enzima sono in fase di sperimentazione clinica.

Perché l'uso di questi farmaci compromette la trasduzione del segnale del fattore di crescita? Per una risposta:

a) presentare lo schema di trasduzione del segnale che coinvolge le proteine ​​Ras;

b) spiegare la funzione delle proteine ​​Ras e le conseguenze del loro fallimento nell'acilazione;

c) indovinare per quali malattie sono stati sviluppati questi farmaci.

5. L'ormone steroideo calcitriolo attiva l'assorbimento del calcio alimentare aumentando la quantità di proteine ​​trasportatrici di Ca 2+ nelle cellule intestinali. Spiegare il meccanismo d'azione del calcitriolo. Per questo:

a) fornire uno schema generale della trasduzione del segnale degli ormoni steroidei e descriverne il funzionamento;

b) nominare il processo che attiva l'ormone nel nucleo della cellula bersaglio;

c) indicare a quale biosintesi della matrice parteciperanno le molecole sintetizzate nel nucleo e dove avviene.

Idee generali sui percorsi di trasduzione del segnale

Per la maggior parte delle molecole regolatrici tra il loro legame al recettore di membrana e la risposta finale della cellula, cioè modificando il suo lavoro, si incunea una complessa serie di eventi: determinati percorsi di trasmissione del segnale, altrimenti chiamati vie di trasduzione del segnale.

Le sostanze regolatrici sono generalmente suddivise in endocrine, neurocrine e paracrine. Endocrino regolatori (ormoni) secreto dalle cellule endocrine nel sangue e trasportato da esso alle cellule bersaglio, che possono essere localizzate in qualsiasi parte del corpo. neurocrino i regolatori vengono rilasciati dai neuroni in prossimità delle cellule bersaglio. paracrino le sostanze vengono rilasciate un po' più lontano dai bersagli, ma comunque abbastanza vicine da raggiungere i recettori. Le sostanze paracrine sono secrete da un tipo di cellula e agiscono su un altro, ma in alcuni casi i regolatori sono mirati alle cellule che le hanno secrete oa cellule vicine dello stesso tipo. È chiamato autocrino regolamento.

In alcuni casi, l'ultimo stadio della trasduzione del segnale consiste nella fosforilazione di alcune proteine ​​effettrici, che porta ad un aumento o inibizione della loro attività, e questo, a sua volta, determina la risposta cellulare necessaria per il corpo. Viene eseguita la fosforilazione delle proteine proteina chinasi, e defosforilazione fosfatasi proteica.

I cambiamenti nell'attività della proteina chinasi derivano dal legame di una molecola regolatrice (generalmente chiamata ligando) con il suo recettore di membrana, che innesca cascate di eventi, alcuni dei quali sono mostrati in figura (Fig. 2-1). L'attività di varie protein chinasi è regolata dal recettore non direttamente, ma attraverso messaggeri secondari(intermediari secondari), che sono, ad esempio, AMP ciclico (cAMP), GMP ciclico (cGMP), Ca 2+ , inositolo-1,4,5-trifosfato (IP 3) E diacilglicerolo (DAG). In questo caso, il legame del ligando al recettore di membrana modifica il livello intracellulare del secondo messaggero, che a sua volta influenza l'attività della protein chinasi. Molti regolatori-

nye molecole influenzano processi cellulari attraverso percorsi di trasduzione del segnale che coinvolgono proteine ​​leganti GTP eterotrimeriche (proteine ​​G eterotrimeriche) O proteine ​​monomeriche leganti il ​​GTP (proteine ​​G monomeriche).

Quando le molecole di ligando si legano ai recettori di membrana che interagiscono con le proteine ​​G eterotrimeriche, la proteina G passa allo stato attivo legandosi al GTP. La proteina G attivata può quindi interagire con molti proteine ​​effettrici. soprattutto enzimi come adenilato ciclasi, fosfodiesterasi, fosfolipasi C, A 2 E D. Questa interazione innesca catene di reazioni (Figura 2-1) che determinano l'attivazione di varie protein chinasi, come proteina chinasi A (PKA), proteina chinasi G (PKG), proteina chinasi C (PIS).

IN in termini generali la via di trasduzione del segnale che coinvolge le proteine ​​G - protein chinasi include i seguenti passaggi.

1. Il ligando si lega al recettore sulla membrana cellulare.

2. Il recettore legato al ligando, interagendo con la proteina G, la attiva e la proteina G attivata lega il GTP.

3. La proteina G attivata interagisce con uno o più dei seguenti composti: adenilato ciclasi, fosfodiesterasi, fosfolipasi C, A 2 , D, attivandoli o inibendoli.

4. Il livello intracellulare di uno o più secondi messaggeri, come cAMP, cGMP, Ca 2+ , IP 3 o DAG, aumenta o diminuisce.

5. Un aumento o una diminuzione della concentrazione di un secondo messaggero influisce sull'attività di una o più protein chinasi dipendenti da esso, come la protein chinasi dipendente da cAMP (protein chinasi A), la protein chinasi dipendente da cGMP (PCG), protein chinasi calmodulina-dipendente(CMPC), protein chinasi C. Un cambiamento nella concentrazione di un secondo messaggero può attivare l'uno o l'altro canale ionico.

6. Il livello di fosforilazione dell'enzima o del canale ionico cambia, il che influisce sull'attività del canale ionico, provocando la risposta finale della cellula.

Riso. 2-1. Alcune cascate di eventi che si realizzano nella cellula grazie a mediatori secondari.

Designazioni: * - enzima attivato

Recettori di membrana associati alle proteine ​​G

I recettori di membrana che mediano l'attivazione agonista-dipendente delle proteine ​​G costituiscono una speciale famiglia di proteine ​​con più di 500 membri. Comprende α- e β-adrenergici, acetilcolina muscarinica, serotonina, adenosina, recettori olfattivi, rodopsina, nonché recettori per la maggior parte degli ormoni peptidici. I membri della famiglia dei recettori accoppiati a proteine ​​G hanno sette α-eliche transmembrana (Fig. 2-2A), ciascuna contenente 22-28 residui di amminoacidi prevalentemente idrofobici.

Per alcuni ligandi, come acetilcolina, epinefrina, norepinefrina e serotonina, sono noti diversi sottotipi di recettori accoppiati a proteine ​​G. Spesso differiscono nell'affinità per agonisti e antagonisti competitivi.

Quella che segue è (Fig. 2-2 B) l'organizzazione molecolare dell'adenilato ciclasi, un enzima che produce cAMP (il primo secondo messaggero scoperto). La via regolatoria dell'adenilato ciclasi è considerata la classica via di trasduzione del segnale mediata dalla proteina G.

L'adenilato ciclasi funge da base per il controllo positivo o negativo delle vie di trasduzione del segnale tramite le proteine ​​G. In un controllo positivo, il legame di un ligando stimolatore, come l'epinefrina, che agisce attraverso i recettori β-adrenergici, porta all'attivazione delle proteine ​​G eterotrimeriche con la subunità α del tipo as ("s" sta per stimolazione). L'attivazione delle proteine ​​​​G di tipo Gs da parte di un recettore accoppiato al ligando fa sì che la sua subunità leghi GTP e quindi si dissoci dal βγ-dimero.

La Figura 2-2B mostra come la fosfolipasi C scinde il fosfatidilinositolo 4,5-difosfato in inositolo-1,4,5-trifosfato e diacilglicerolo. Entrambe le sostanze, inositolo-1,4,5-trifosfato e diacilglicerolo, sono secondi messaggeri. IP3 si lega a specifici canali Ca 2+ ligando-dipendenti del reticolo endoplasmatico e rilascia Ca 2+ da esso; aumenta la concentrazione di Ca 2+ nel citosol. Il diacilglicerolo, insieme al Ca 2+, attiva un'altra importante classe di protein chinasi, la protein chinasi C.

Viene poi mostrata la struttura di alcuni secondi messaggeri (Fig. 2-2 D-F): cAMP, GMF,

cGMP.

Riso. 2-2. Esempi di organizzazione molecolare di alcune strutture coinvolte nelle vie di trasduzione del segnale.

A è un recettore della membrana cellulare che lega un ligando sulla superficie esterna e una proteina G eterotrimerica all'interno. B - organizzazione molecolare dell'adenilato ciclasi. B - struttura di fosfatidilinositolo-4,5-difosfato e inositolo-1,4,5-trifosfato formato sotto l'azione della fosfolipasi C e del diacilglicerolo. D - struttura dell'AMP ciclico 3",5" (attivatore della protein chinasi A). D - struttura di HMF. E - struttura del GMF ciclico da 3", 5" (attivatore della protein chinasi G)

Proteine ​​G eterotrimeriche

La proteina G eterotrimerica è costituita da tre subunità: α (40.000-45.000 Da), β (circa 37.000 Da) e γ (8.000-10.000 Da). Attualmente sono noti circa 20 geni diversi per codificare queste subunità, inclusi almeno quattro geni della subunità β dei mammiferi e circa sette geni della subunità γ dei mammiferi. La funzione e la specificità di una proteina G è solitamente, anche se non sempre, determinata dalla sua subunità α. Nella maggior parte delle proteine ​​G, le subunità β e γ sono strettamente collegate. Alcune proteine ​​G eterotrimeriche e le vie di trasduzione in cui sono coinvolte sono elencate nella Tabella 1. 2-1.

Le proteine ​​​​G eterotrimeriche mediano tra i recettori della membrana plasmatica per più di 100 sostanze regolatrici extracellulari e i processi intracellulari che controllano. In termini generali, il legame di una sostanza regolatrice al suo recettore attiva la proteina G, che attiva o inibisce l'enzima e/o provoca una catena di eventi che porta all'attivazione di determinati canali ionici.

Sulla fig. 2-3 presentato principio generale lavoro delle proteine ​​G eterotrimeriche. Nella maggior parte delle proteine ​​G, la subunità α è l'"unità di lavoro" delle proteine ​​G eterotrimeriche. L'attivazione della maggior parte delle proteine ​​G provoca un cambiamento conformazionale in questa subunità. Le proteine ​​G inattive esistono principalmente sotto forma di eterotrimeri αβγ,

con il PIL nelle posizioni di legame dei nucleotidi. L'interazione delle proteine ​​G eterotrimeriche con il recettore legato al ligando porta alla trasformazione della subunità α in una forma attiva con una maggiore affinità per GTP e una ridotta affinità per il complesso βγ. Di conseguenza, la subunità α attivata rilascia PIL, attacca GTP e quindi si dissocia dal βγ-dimero. Nella maggior parte delle proteine ​​G, la subunità α dissociata interagisce quindi con le proteine ​​effettrici in una via di trasduzione del segnale. Tuttavia, in alcune proteine ​​G, il βγ-dimero rilasciato può essere responsabile di alcuni o tutti gli effetti del complesso recettore-ligando.

Il funzionamento di alcuni canali ionici è direttamente modulato dalle proteine ​​G; senza la partecipazione di messaggeri secondari. Ad esempio, il legame dell'acetilcolina ai recettori muscarinici M 2 nel cuore e in alcuni neuroni porta all'attivazione di una classe speciale di canali K +. In questo caso, il legame dell'acetilcolina al recettore muscarinico porta all'attivazione della proteina G. La sua subunità α attivata si separa quindi dal dimero βγ e il dimero βγ interagisce direttamente con una classe speciale di canali K +, portandoli allo stato aperto. Il legame dell'acetilcolina ai recettori muscarinici, che aumenta la conduttanza K + delle cellule pacemaker nel nodo senoatriale del cuore, è uno dei principali meccanismi attraverso i quali nervi parasimpatici causare una diminuzione della frequenza cardiaca.

Riso. 2-3. Il principio di funzionamento delle proteine ​​leganti GTP eterotrimeriche (proteine ​​G eterotrimeriche).

Tabella 2-1.Alcune proteine ​​leganti il ​​GTP dei mammiferi eterotrimerici classificate sulla base delle loro subunità α*

* All'interno di ciascuna classe di subunità α, si distinguono diverse isoforme. Sono state identificate più di 20 subunità α.

Proteine ​​G monomeriche

Le cellule contengono un'altra famiglia di proteine ​​leganti GTP chiamate monomerico Proteine ​​leganti GTP. Sono anche conosciuti come Proteine ​​G a basso peso molecolare O piccole proteine ​​G(peso molecolare 20.000-35.000 Da). La Tabella 2-2 elenca le principali sottoclassi di proteine ​​leganti GTP monomeriche e alcune delle loro proprietà. Le proteine ​​​​leganti GTP monomeriche simili a Ras e Rho sono coinvolte nella via di trasduzione del segnale nella fase di trasduzione del segnale dalla tirosina chinasi del recettore del fattore di crescita agli effettori intracellulari. Tra i processi regolati dalle vie di trasduzione del segnale, in cui sono coinvolte proteine ​​leganti GTP monomeriche, vi sono l'allungamento della catena polipeptidica durante la sintesi proteica, la proliferazione e differenziazione cellulare, la loro trasformazione maligna, il controllo del citoscheletro di actina, la comunicazione tra il citoscheletro

e matrice extracellulare, trasporto di vescicole tra diversi organelli e secrezione esocitotica.

Le proteine ​​monomeriche che legano il GTP, come le loro controparti eterotrimeriche, sono interruttori molecolari che esistono in due forme: attivate "on" e inattivate "off" (Fig. 2-4 B). Tuttavia, l'attivazione e l'inattivazione delle proteine ​​leganti GTP monomeriche richiede ulteriori proteine ​​regolatorie, che, per quanto ne sappiamo, non sono necessarie per il funzionamento delle proteine ​​G eterotrimeriche. Le proteine ​​G monomeriche sono attivate proteine ​​che rilasciano nucleotidi di guanina, ma sono inattivati Proteine ​​che attivano la GTPasi. Pertanto, l'attivazione e l'inattivazione delle proteine ​​leganti GTP monomeriche è controllata da segnali che ne modificano l'attività proteine ​​che rilasciano nucleotidi di guanina O Proteine ​​che attivano la GTPasi piuttosto che per azione diretta sulle proteine ​​G monomeriche.

Riso. 2-4. Il principio di funzionamento delle proteine ​​​​leganti GTP monomeriche (proteine ​​​​G monomeriche).

Tabella 2-2.Sottofamiglie di proteine ​​leganti GTP monomeriche e alcuni processi intracellulari da esse regolati

Meccanismo di lavoro delle proteine ​​G eterotrimeriche

Le proteine ​​​​G inattive esistono principalmente sotto forma di eterotrimeri αβγ, con PIL nelle loro posizioni di legame nucleotidico (Fig. 2-5A). L'interazione delle proteine ​​G eterotrimeriche con il recettore legato al ligando porta alla trasformazione della subunità α nella forma attiva, che ha una maggiore affinità per GTP e una ridotta affinità per il complesso βγ (Fig. 2-5 B ). Nella maggior parte delle proteine ​​G eterotrimeriche, è la subunità α che è la struttura che trasmette le informazioni. L'attivazione della maggior parte delle proteine ​​G provoca un cambiamento conformazionale nella subunità α.

Di conseguenza, la subunità α attivata rilascia PIL, attacca GTP (Fig. 2-5C) e quindi si dissocia dal βγ-dimero (Fig. 2-5D). Nella maggior parte delle proteine ​​G, la subunità α dissociata interagisce immediatamente con le proteine ​​effettrici (E 1) nella via di trasduzione del segnale (Fig. 2-5D). Tuttavia, in alcune proteine ​​G, il βγ-dimero rilasciato può essere responsabile di tutti o di alcuni degli effetti del complesso recettore-ligando. Quindi il βγ-dimero interagisce con la proteina effettrice E 2 (Fig. 2-5 E). È inoltre dimostrato che i membri della famiglia RGS della proteina G stimolano l'idrolisi del GTP (Fig. 2-5 E). Questo inattiva la subunità α e combina tutte le subunità in un eterotrimero αβγ.

Riso. 2-5. Il ciclo di lavoro di una proteina G eterotrimerica, che innesca un'ulteriore catena di eventi con l'aiuto della suaα -subunità.

Designazioni: R - recettore, L - ligando, E - proteina effettrice

Vie di trasduzione del segnale attraverso proteine ​​G eterotrimeriche

La Figura 2-6A mostra i tre ligandi, i loro recettori associati a diverse proteine ​​G e i loro bersagli molecolari. L'adenilato ciclasi è la base per il controllo positivo o negativo delle vie di trasduzione del segnale mediate dalle proteine ​​G. In un controllo positivo, il legame di un ligando stimolante, come la norepinefrina, che agisce attraverso i recettori β-adrenergici, porta all'attivazione delle proteine ​​G eterotrimeriche con la subunità α di tipo α-S ("s" sta per stimolazione). Pertanto, una tale proteina G è indicata come proteina G di tipo G S. L'attivazione delle proteine ​​G di tipo G s da parte di un recettore accoppiato al ligando fa sì che la sua subunità α s leghi GTP e quindi si dissoci dal dimero β γ.

Altre sostanze regolatrici, come l'epinefrina, che agisce attraverso i recettori α 2, o l'adenosina, che agisce attraverso i recettori α 1, o la dopamina, che agisce attraverso i recettori D 2, sono coinvolte nel controllo negativo o inibitorio dell'adenilato ciclasi. Queste sostanze regolatrici attivano le proteine ​​G i di tipo G che hanno una subunità α di tipo α i ("i" sta per inibizione). Legame di un ligando inibitorio al suo

Il recettore attiva il tipo G i delle proteine ​​G e causa la dissociazione della sua subunità α i dal dimero βγ. La subunità α i attivata si lega all'adenilato ciclasi e ne inibisce l'attività. Inoltre, i βγ-dimeri possono legare le subunità α s libere. In questo modo, il legame dei βγ-dimeri alla subunità α s libera sopprime ulteriormente la stimolazione dell'adenilato ciclasi bloccando l'azione dei ligandi stimolatori.

Un'altra classe di agonisti extracellulari (Fig. 2-6 A) si lega a recettori che attivano, tramite una proteina G chiamata G q , l'isoforma β della fosfolipasi C. Scinde il fosfatidilinositolo-4,5-difosfato (un fosfolipide presente quantità nella membrana plasmatica) a inositolo-1,4,5-trifosfato e diacilglicerolo, che sono messaggeri secondari. IP 3 si lega a specifici canali Ca 2+ ligando-dipendenti del reticolo endoplasmatico e rilascia Ca 2+ da esso; aumenta la concentrazione di Ca 2+ nel citosol. I canali Ca 2+ del reticolo endoplasmatico sono coinvolti nell'accoppiamento elettromeccanico nel muscolo scheletrico e cardiaco. Il diacilglicerolo insieme a Ca 2+ attiva la protein chinasi C. I suoi substrati includono, ad esempio, proteine ​​​​coinvolte nella regolazione della divisione cellulare.

Riso. 2-6. Esempi di vie di trasduzione del segnale attraverso proteine ​​G eterotrimeriche.

A - nei tre esempi forniti, il legame del neurotrasmettitore al recettore porta all'attivazione della proteina G e alla successiva inclusione delle vie del secondo messaggero. G s , G q e G i significano tre diversi tipi di proteine ​​​​G eterotrimeriche. B - la regolazione delle proteine ​​​​cellulari mediante fosforilazione porta ad un aumento o all'inibizione della loro attività e questo, a sua volta, determina la risposta cellulare necessaria per il corpo. La fosforilazione delle proteine ​​viene effettuata dalle protein chinasi e la defosforilazione dalle protein fosfatasi. La protein chinasi trasferisce un gruppo fosfato (Pi) dall'ATP ai residui di serina, treonina o tirosina delle proteine. Questa fosforilazione cambia in modo reversibile la struttura e la funzione delle proteine ​​cellulari. Entrambi i tipi di enzimi, chinasi e fosfatasi, sono regolati da diversi secondi messaggeri intracellulari.

Vie di attivazione delle protein chinasi intracellulari

L'interazione delle proteine ​​G eterotrimeriche con il recettore legato al ligando porta alla trasformazione della subunità α in una forma attiva, che ha una maggiore affinità per GTP e una ridotta affinità per il complesso βγ. L'attivazione della maggior parte delle proteine ​​G si traduce in un cambiamento conformazionale nella subunità α, che rilascia PIL, attacca GTP e quindi si dissocia dal βγ-dimero. Inoltre, la subunità α dissociata interagisce con le proteine ​​effettrici nella via di trasduzione del segnale.

La Figura 2-7A mostra l'attivazione delle proteine ​​G eterotrimeriche di tipo G s con la subunità α di tipo α s, che si verifica a causa del legame con il ligando del recettore e porta al fatto che la subunità α s di tipo G s Le proteine ​​​​G legano GTP e quindi si dissociano dal βγ-dimero e quindi interagiscono con adenilato ciclasi. Ciò porta ad un aumento dei livelli di cAMP e dell'attivazione di PKA.

La Figura 2-7B mostra l'attivazione delle proteine ​​G eterotrimeriche di tipo G t con la subunità α t di tipo α, che si verifica a causa del legame con il ligando del recettore e porta al fatto che la subunità α t del tipo G t Le proteine ​​​​G vengono attivate e quindi si dissociano dal βγ-dimero e quindi interagiscono con fosfodiesterasi. Ciò porta ad un aumento dei livelli di cGMP e all'attivazione di PKG.

Il recettore della catecolamina α1 interagisce con la subunità Gαq, che attiva la fosfolipasi C. e porta a che la subunità α q delle proteine ​​G di tipo G αq viene attivata e quindi si dissocia dal βγ-dimero e quindi interagisce con fosfolipasi C. Scinde il fosfatidilinositolo-4,5-difosfato in IP 3 e DAG. Ciò si traduce in un aumento del livello di IP 3 e DAG. IP 3 , che si lega a specifici canali Ca 2+ ligando-dipendenti del reticolo endoplasmatico,

rilascia Ca 2+ da esso. DAG provoca l'attivazione della proteina chinasi C. In una cellula non stimolata, una quantità significativa di questo enzima si trova nel citosol in una forma inattiva. Ca 2+ fa sì che la proteina chinasi C si leghi alla superficie interna della membrana plasmatica. Qui, l'enzima può essere attivato dal diacilglicerolo, che si forma durante l'idrolisi del fosfatidilinositolo-4,5-difosfato. La fosfatidilserina di membrana può anche essere un attivatore della protein chinasi C se l'enzima è nella membrana.

Sono state descritte circa 10 isoforme della protein chinasi C. Sebbene alcune di esse siano presenti in molte cellule di mammifero, i sottotipi γ e ε si trovano principalmente nelle cellule del sistema nervoso centrale. I sottotipi di protein chinasi C differiscono non solo nella distribuzione in tutto il corpo, ma, a quanto pare, nei meccanismi di regolazione della loro attività. Alcuni di essi nelle cellule non stimolate sono associati alla membrana plasmatica; non richiedono un aumento della concentrazione di Ca 2+ per l'attivazione. Alcune isoforme della proteina chinasi C sono attivate dall'acido arachidonico o da altri acidi grassi insaturi.

L'attivazione iniziale a breve termine della protein chinasi C avviene sotto l'azione del diacilglicerolo, che viene rilasciato quando viene attivata la fosfolipasi Cβ, e anche sotto l'influenza del Ca 2+ rilasciato dall'immagazzinamento intracellulare dall'IP 3 . L'attivazione di lunga durata della protein chinasi C è innescata dalle fosfolipasi A 2 e D dipendenti dal recettore. Agiscono principalmente sulla fosfatidilcolina, il principale fosfolipide di membrana. La fosfolipasi A 2 separa da essa un acido grasso in seconda posizione (solitamente insaturo) e la lisofosfatidilcolina. Entrambi questi prodotti attivano alcune isoforme della protein chinasi C. La fosfolipasi D dipendente dal recettore scinde la fosfatidilcolina per formare acido fosfatidico e colina. L'acido fosfatidico viene ulteriormente scisso in diacilglicerolo, che è coinvolto nella stimolazione a lungo termine della protein chinasi C.

Riso. 2-7. Principi di base dell'attivazione della protein chinasi A, della protein chinasi G e della protein chinasi C.

Designazioni: R - recettore, L - ligando

Proteina chinasi cAMP-dipendente (proteina chinasi A) e vie di segnalazione associate

In assenza di cAMP, la protein chinasi cAMP-dipendente (protein chinasi A) è costituita da quattro subunità: due regolatorie e due catalitiche. Nella maggior parte dei tipi di cellule, la subunità catalitica è la stessa, mentre le subunità regolatorie sono altamente specifiche. La presenza di subunità regolatrici sopprime quasi completamente l'attività enzimatica del complesso. Pertanto, l'attivazione dell'attività enzimatica della protein chinasi cAMP-dipendente dovrebbe comportare la separazione delle subunità regolatorie dal complesso.

L'attivazione avviene in presenza di concentrazioni micromolari di cAMP. Ogni subunità regolatoria lega due delle sue molecole. Il legame del cAMP induce cambiamenti conformazionali nelle subunità regolatorie e riduce l'affinità della loro interazione con le subunità catalitiche. Di conseguenza, le subunità regolatrici vengono separate dalle subunità catalitiche e le subunità catalitiche vengono attivate. La subunità catalitica attiva fosforila le proteine ​​bersaglio a determinati residui di serina e treonina.

Il confronto delle sequenze amminoacidiche di cAMP-dipendenti e di altre classi di protein chinasi mostra che, nonostante le forti differenze nelle loro proprietà regolatorie, tutti questi enzimi sono altamente omologhi nella struttura primaria della parte centrale. Questa parte contiene il dominio legante l'ATP e il sito attivo dell'enzima, che assicura il trasferimento del fosfato dall'ATP alla proteina accettore. Trame di chinasi al di fuori di questo nucleo catalitico della proteina sono coinvolte nella regolazione dell'attività della chinasi.

È stata anche determinata la struttura cristallina della subunità catalitica della protein chinasi cAMP-dipendente. catalitico Parte di mezzo molecola, che è presente in tutte le chinasi proteiche conosciute, consiste di due parti. Una percentuale minore contiene un insolito sito di legame dell'ATP, mentre una percentuale maggiore contiene un sito di legame del peptide. Molte protein chinasi contengono anche una regione regolatrice nota come dominio pseudosubstrato. Secondo la sequenza degli amminoacidi, assomiglia alle regioni fosforilate delle proteine ​​del substrato. Il dominio pseudosubstrato, legandosi al sito attivo della protein chinasi, inibisce la fosforilazione dei veri substrati della protein chinasi. L'attivazione della chinasi può includere la fosforilazione o la modifica allosterica non covalente della protein chinasi per eliminare l'effetto inibitorio del dominio dello pseudosubstrato.

Riso. 2-8. Proteina chinasi A cAMP-dipendente e bersagli.

Quando l'adrenalina si lega al recettore appropriato, l'attivazione della subunità α s stimola l'adenilato ciclasi con un aumento dei livelli di cAMP. Il cAMP attiva la protein chinasi A, che, mediante fosforilazione, ha tre effetti principali. (1) La proteina chinasi A attiva la glicogeno fosforilasi chinasi, che fosforila e attiva la glicogeno fosforilasi. (2) La proteina chinasi A inattiva la glicogeno sintasi e quindi riduce la produzione di glicogeno. (3) La proteina chinasi A attiva l'inibitore della fosfoproteina fosfatasi-1 e quindi inibisce la fosfatasi. L'effetto complessivo è quello di coordinare i cambiamenti nei livelli di glucosio.

Designazioni: UDP-glucosio - uridina difosfato glucosio

Regolazione ormonale dell'attività dell'adenilato ciclasi

La Figura 2-9A mostra il meccanismo principale di stimolazione e inibizione dell'adenilato ciclasi indotta dagli ormoni. L'interazione del ligando con il recettore associato alla subunità α s tipo α (stimolante) provoca l'attivazione dell'adenilato ciclasi, mentre l'interazione del ligando con il recettore) associato alla subunità α i tipo α (inibitoria) provoca l'inibizione di l'enzima. La subunità G βγ è identica sia nelle proteine ​​G stimolatorie che in quelle inibitorie. Le subunità e i recettori G α sono diversi. La formazione stimolata dal ligando di complessi G α GTP attivi avviene attraverso gli stessi meccanismi nelle proteine ​​G αs e G αi. Tuttavia, G αs GTP e G αi GTP interagiscono in modo diverso con l'adenilato ciclasi. Uno (G αs GTP) stimola e l'altro G αi GTP) inibisce la sua attività catalitica.

La Figura 2-9B mostra il meccanismo di attivazione e inibizione dell'adenilato ciclasi indotto da alcuni ormoni. I recettori β 1 -, β 2 - e D 1 interagiscono con subunità che attivano l'adenilato ciclasi e aumentano il livello di cAMP. I recettori α 2 e D 2 interagiscono con le subunità G αi, che inibiscono l'adenilato ciclasi. (Per quanto riguarda il recettore α 1, interagisce con la subunità G, che attiva la fosfolipasi C.) Considera uno degli esempi mostrati nella figura. L'adrenalina si lega al recettore β 1, che porta all'attivazione della proteina G αs, che stimola l'adenilato ciclasi. Ciò porta ad un aumento del livello intracellulare di cAMP e quindi migliora l'attività della PKA. D'altra parte, la norepinefrina si lega al recettore α 2, che porta all'attivazione della proteina G αi, che inibisce l'adenilato ciclasi e quindi riduce il livello intracellulare di cAMP, riducendo l'attività della PKA.

Riso. 2-9. Attivazione e inibizione indotte dal ligando (ormone) dell'adenilato ciclasi.

A è il meccanismo sottostante. B - meccanismo in relazione a specifici ormoni

Proteina chinasi C e relative vie di segnalazione

Il recettore α 1 interagisce con la subunità G αq della proteina G, che attiva la fosfolipasi C. La fosfolipasi C scinde il fosfatidilinositolo 4,5-difosfato in IP 3 e DAG. IP 3 si lega a specifici canali Ca 2+ ligando-dipendenti del reticolo endoplasmatico e rilascia Ca 2+ da esso; aumenta la concentrazione di Ca 2+ nel citosol. DAG provoca l'attivazione della proteina chinasi C. In una cellula non stimolata, questo enzima si trova nel citosol in una cellula inattiva

modulo. Se il livello citosolico di Ca 2+ aumenta, Ca 2+ interagisce con la proteina chinasi C, che porta al legame della proteina chinasi C alla superficie interna della membrana cellulare. In questa posizione, l'enzima viene attivato dal diacilglicerolo, che si forma durante l'idrolisi del fosfatidilinositolo-4,5-difosfato. La fosfatidilserina di membrana può anche essere un attivatore della protein chinasi C se l'enzima è nella membrana.

La Tabella 2-3 elenca le isoforme della proteina chinasi C dei mammiferi e le proprietà di queste isoforme.

Tabella 2-3.Proprietà delle isoforme della proteina chinasi C dei mammiferi

DAG - diacilglicerolo; FS - fosfatidilserina; FFA - acidi grassi cis-insaturi; LPC - lisofosfatidilcolina.

Riso. 2-10. Vie di segnalazione del diacilglicerolo/inositolo-1,4,5-trifosfato

Fosfolipasi e relative vie di segnalazione usando l'acido arachidonico come esempio

Alcuni agonisti, tramite le proteine ​​G, si attivano fosfolipasi A 2, che agisce sui fosfolipidi di membrana. I prodotti delle loro reazioni possono attivare la protein chinasi C. In particolare, la fosfolipasi A 2 separa l'acido grasso situato nella seconda posizione dai fosfolipidi. A causa del fatto che alcuni fosfolipidi contengono acido arachidonico in questa posizione, causato dalla scissione della fosfolipasi A 2 di questi fosfolipidi ne rilascia una quantità significativa.

La via di segnalazione dell'acido arachidonico sopra descritta associata alla fosfolipasi A 2 è chiamata diretta. percorso indiretto l'attivazione dell'acido arachidonico è associata alla fosfolipasi Cβ.

L'acido arachidonico stesso è una molecola effettrice e, inoltre, funge da precursore per la sintesi intracellulare prostaglandine, prostacicline, trombossani E leucotrieni- importanti classi di molecole regolatrici. L'acido arachidonico si forma anche dai prodotti di degradazione dei diacilgliceroli.

Prostaglandine, prostacicline e trombossani sono sintetizzati dall'acido arachidonico. via cicloossigenasi-dipendente e i leucotrieni via lipossigenasi-dipendente. Uno degli effetti antinfiammatori dei glucocorticoidi è proprio l'inibizione della fosfolipasi A 2 , che libera l'acido arachidonico dai fosfolipidi. Acido acetilsalicilico(aspirina  ) e altri farmaci antinfiammatori non steroidei inibiscono l'ossidazione dell'acido arachidonico da parte della cicloossigenasi.

Riso. 2-11. Vie di segnalazione dell'acido arachidonico.

Designazioni: PG - prostaglandina, LH - leucotriene, GPETE - idroperossieicosatetraenoato, HETE - idrossieicosatetraenoato, EPR - reticolo endoplasmatico

Calmodulina: struttura e funzioni

Molti processi cellulari vitali, compreso il rilascio di neurotrasmettitori, la secrezione ormonale e la contrazione muscolare, sono regolati dai livelli citosolici di Ca 2+. Un modo in cui questo ione influenza i processi cellulari è attraverso il suo legame con la calmodulina.

Calmodulina- una proteina con un peso molecolare di 16.700 (Fig. 2-12 A). È presente in tutte le cellule, talvolta costituendo fino all'1% del loro contenuto proteico totale. La calmodulina lega quattro ioni calcio (Fig. 2-12 B e C), dopodiché questo complesso regola l'attività di varie proteine ​​intracellulari, molte delle quali non sono correlate alle protein chinasi.

Il complesso Ca 2+ con calmodulina attiva anche le protein chinasi calmodulina-dipendenti. Specifiche protein chinasi calmodulina-dipendenti fosforilano specifiche proteine ​​effettrici, come le catene leggere regolatrici della miosina, la fosforilasi e il fattore di allungamento II. Protein chinasi multifunzionali dipendenti dalla calmodulina fosforilano numerose proteine ​​nucleari, citoscheletriche o di membrana. Alcune chinasi proteiche dipendenti dalla calmodulina, come la chinasi

la catena leggera della miosina e la fosforilasi chinasi agiscono su un solo substrato cellulare, mentre altre sono polifunzionali e fosforilano più di una proteina substrato.

La protein chinasi II calmodulina-dipendente appartiene alle principali proteine ​​del sistema nervoso. In alcune aree del cervello, rappresenta fino al 2% delle proteine ​​totali. Questa chinasi è coinvolta nel meccanismo mediante il quale un aumento della concentrazione di Ca 2+ nella terminazione nervosa provoca il rilascio del neurotrasmettitore per esocitosi. Il suo substrato principale è una proteina chiamata sinapsina I presente nelle terminazioni nervose e associato alla superficie esterna delle vescicole sinaptiche. Quando la sinapsina I è legata alle vescicole, previene l'esocitosi. La fosforilazione della sinapsina I la fa staccare dalle vescicole, permettendo loro di rilasciare il neurotrasmettitore nella fessura sinaptica per esocitosi.

La chinasi della catena leggera della miosina svolge un ruolo importante nella regolazione della contrazione della muscolatura liscia. Un aumento della concentrazione citosolica di Ca 2+ nelle cellule muscolari lisce attiva la chinasi della catena leggera della miosina. La fosforilazione delle catene leggere regolatrici della miosina porta a una contrazione prolungata delle cellule muscolari lisce.

Riso. 2-12. Calmodulina.

A - calmodulina senza calcio. B - legame del calcio alla calmodulina e bersaglio del peptide. B - schema di collegamento.

Designazioni: EF - Ca 2+ - domini di legame della calmodulina

Recettori con attività enzimatica propria (recettori catalitici)

Gli ormoni e i fattori di crescita si legano alle proteine ​​della superficie cellulare che hanno attività enzimatica sul lato citoplasmatico della membrana. La Figura 2-13 mostra cinque classi di recettori catalitici.

Uno degli esempi caratteristici di transmembrana recettori con attività della guanilato ciclasi, recettore del peptide natriuretico atriale (ANP). Il recettore di membrana a cui si lega l'ANP è indipendente dai sistemi di trasduzione del segnale considerati. Sopra, è stata descritta l'azione degli agonisti extracellulari che, legandosi ai recettori di membrana, attivano l'adenilato ciclasi attraverso le proteine ​​​​G s o la inibiscono attraverso G i . I recettori di membrana per l'ANP sono interessanti perché i recettori stessi hanno un'attività della guanilato ciclasi stimolata dal legame dell'ANP al recettore.

I recettori ANP hanno un dominio di legame ANP extracellulare, una singola elica transmembrana e un dominio guanilato ciclasi intracellulare. Il legame dell'ANP al recettore aumenta il livello intracellulare di cGMP, che stimola la proteina chinasi cGMP-dipendente. Contrariamente alla protein chinasi cAMP-dipendente, che ha subunità regolatorie e catalitiche, i domini regolatori e catalitici della protein chinasi cGMP-dipendente si trovano sulla stessa catena polipeptidica. La chinasi cGMP-dipendente quindi fosforila le proteine ​​intracellulari, portando a varie risposte cellulari.

Recettori con attività serina-treonina chinasica fosforilare le proteine ​​solo sui residui di serina e/o treonina.

Un'altra famiglia di recettori di membrana non accoppiati alle proteine ​​G è costituita da proteine ​​con una propria attività tirosina-proteina chinasica. Recettori con la propria attività tirosin-protein chinasica sono proteine ​​con un dominio extracellulare glicosilato, l'unico

regione transmembrana e dominio intracellulare con attività tirosina-proteina chinasica. Legame di un agonista a loro, per esempio fattore di crescita nervoso (NGF), stimola l'attività della tirosina-proteina chinasi, che fosforila specifiche proteine ​​effettrici a determinati residui di tirosina. La maggior parte dei recettori del fattore di crescita dimerizza quando l'NGF si lega ad essi. È la dimerizzazione del recettore che porta alla comparsa dell'attività della tirosin chinasi in esso. I recettori attivati ​​spesso si fosforilano da soli, il che si chiama autofosforilazione.

Alla superfamiglia recettori peptidici chiamati recettori dell'insulina. È anche una tirosina protein chinasi. In una sottoclasse di recettori appartenenti alla famiglia dei recettori dell'insulina, il recettore non ligando esiste come dimero legato al disolfuro. L'interazione con l'insulina porta a cambiamenti conformazionali in entrambi i monomeri, che aumentano il legame all'insulina, attivano la tirosina chinasi del recettore e portano ad un aumento dell'autofosforilazione del recettore.

Il legame di un ormone o di un fattore di crescita al suo recettore innesca una varietà di risposte cellulari, tra cui l'ingresso di Ca 2+ nel citoplasma, l'aumento del metabolismo di Na + /H +, la stimolazione dell'assorbimento di amminoacidi e zuccheri, la stimolazione della fosfolipasi C β e l'idrolisi di fosfatidilinositolo difosfato.

Recettori ormone della crescita, prolattina E eritropoietina, così come i recettori interferone e molti citochine non servono direttamente come protein chinasi. Tuttavia, dopo l'attivazione, questi recettori formano complessi di segnalazione con le chinasi proteiche tirosin intracellulari, che attivano i loro effetti intracellulari. Ecco perché non sono veri recettori con la propria attività tirosin-protein chinasica, ma semplicemente si legano ad essi.

Sulla base della struttura, si può presumere che transmembrana tirosina-proteina fosfatasi sono anche recettori e la loro attività tirosina-proteina fosfatasi è modulata da ligandi extracellulari.

Riso. 2-13. recettori catalitici.

A - recettore della guanilciclasi, B - recettore con attività serina-treonina chinasi, C - recettore con la propria attività tirosina-proteina chinasi, D - recettori associati all'attività tirosina-proteina chinasi

Tirosina-protein chinasi associate al recettore sull'esempio dei recettori dell'interferone

I recettori dell'interferone non sono direttamente protein chinasi. All'attivazione, questi recettori formano complessi di segnalazione con le chinasi della proteina tirosina intracellulare che attivano i loro effetti intracellulari. Cioè, non sono veri recettori con una propria attività tirosin-protein chinasica, ma semplicemente si legano ad essi.Tali recettori sono chiamati tirosin chinasi associate al recettore (recettore-dipendente).

I meccanismi con cui agiscono questi recettori vengono attivati ​​quando l'ormone si lega al recettore, provocandone la dimerizzazione. Un dimero recettore lega uno o più membri Giano-famiglia delle tirosina protein chinasi (JAK). JAK quindi attraversa

fosforilarsi a vicenda, così come il recettore. I membri della famiglia dei trasduttori di segnale e degli attivatori di trascrizione (STAT) legano domini fosforilati sul complesso recettore-JAK. Le proteine ​​STAT sono fosforilate dalle chinasi JAK e quindi staccate dal complesso di segnalazione. Infine, le proteine ​​STAT fosforilate formano dimeri che si muovono verso il nucleo per attivare la trascrizione di determinati geni.

La specificità del recettore per ciascun ormone dipende in parte dalla specificità dei membri della famiglia JAK o STAT che si combinano per formare il complesso di segnalazione. In alcuni casi, il complesso di segnalazione attiva anche la cascata della chinasi MAP-(proteina attivante il mitogeno) tramite proteine ​​adattatrici utilizzate dai recettori tirosina chinasi. Alcune delle risposte del ligando della tirosina chinasi del recettore coinvolgono anche le vie JAK e STAT.

Riso. 2-14. Esempio di recettori catalitici associati all'attività tirosin-protein chinasica. Recettore attivato da α -interferone (A) eγ -interferone (B)

Proteine ​​G monomeriche simili a Ras e loro vie di trasduzione mediate

Un ligando, come un fattore di crescita, si lega a un recettore che ha la propria attività tirosin-proteina-chinasica, determinando un aumento della trascrizione in un processo in 10 fasi. Proteine ​​​​leganti GTP monomeriche simili a Ras partecipano alla via di trasduzione del segnale nella fase di trasmissione del segnale dai recettori con la propria attività tirosina-proteina chinasica (ad esempio, recettori del fattore di crescita) agli effettori intracellulari. L'attivazione e l'inattivazione delle proteine ​​leganti GTP monomeriche richiedono ulteriori proteine ​​regolatrici. Le proteine ​​G monomeriche sono attivate dalle proteine ​​di rilascio del nucleotide della guanina (GNRP) e inattivate dalle proteine ​​di attivazione della GTPasi (GAP).

Le proteine ​​​​leganti GTP monomeriche della famiglia Ras mediano il legame dei ligandi mitogeni e dei loro recettori tirosina-proteina chinasi, che innesca i processi intracellulari che portano alla proliferazione cellulare. Quando le proteine ​​Ras sono inattive, le cellule non rispondono ai fattori di crescita che agiscono attraverso i recettori della tirosina chinasi.

L'attivazione di Ras innesca una via di trasduzione del segnale che alla fine porta alla trascrizione di alcuni geni che promuovono la crescita cellulare. La cascata MAP chinasi (MAPK) è coinvolta nelle risposte quando Ras è attivato. La proteina chinasi C attiva anche la cascata MAP chinasi. Pertanto, la cascata della chinasi MAP è punto importante convergenza per una varietà di effetti che causano la proliferazione cellulare. Inoltre, c'è un crossover tra la protein chinasi C e le tirosin chinasi. Ad esempio, l'isoforma γ della fosfolipasi C viene attivata legandosi a una proteina Ras attivata. Questa attivazione viene trasferita alla proteina chinasi C durante la stimolazione dell'idrolisi fosfolipidica.

La Figura 2-15 mostra un meccanismo con 10 passi.

1. Il legame del ligando porta alla dimerizzazione del recettore.

2. La proteina chinasi tirosina attivata (RTK) si fosforila.

3.GRB 2 (proteina-2 legata al recettore del fattore di crescita), proteina contenente SH 2, riconosce i residui di fosfotirosina sul recettore attivato.

L'associazione 4.GRB 2 include SOS (figlio di sette anni) scambio proteina guanina nucleotide.

5.SOS attiva Ras formando GTP anziché PIL su Ras.

6. Il complesso attivo Ras-GTP attiva altre proteine inclusione fisica loro nella membrana plasmatica. Il complesso attivo Ras-GTP interagisce con la porzione N-terminale della serina-treonina chinasi Raf-1 (nota come proteina attivante il mitogeno, MAP), la prima di una serie di protein chinasi attivate che trasmettono un segnale di attivazione al nucleo cellulare.

7. Raf-1 fosforila e attiva una protein chinasi denominata MEK, nota come MAP chinasi chinasi (MAPKK). MEK è una proteina chinasi multifunzionale che fosforila substrati di residui di tirosina e serina/treonina.

8.MEK fosforila la MAP chinasi (MAPK), anch'essa causata da un segnale extracellulare - chinasi regolatrice (ERK 1 , ERK 2). L'attivazione di MAPK richiede una doppia fosforilazione nei residui di serina e tirosina adiacenti.

9. MAPK funge da molecola effettrice critica nella trasduzione del segnale Ras-dipendente perché fosforila molte proteine ​​cellulari dopo la stimolazione mitogenica.

10. La MAPK attivata viene trasferita al nucleo, dove fosforila un fattore di trascrizione. In generale, Ras attivato attiva MAP

collegandovi ad esso. Questa cascata provoca la fosforilazione e l'attivazione della MAP chinasi, che a sua volta fosforila fattori di trascrizione, substrati proteici e altre chinasi proteiche importanti per la divisione cellulare e altre risposte. L'attivazione di Ras dipende dalle proteine ​​adattatrici che si legano ai domini della fosfotirosina sui recettori attivati ​​dal fattore di crescita. Queste proteine ​​​​adattatrici si attaccano e attivano GNRF (proteina di scambio nucleotidico della guanina), che attiva Ras.

Riso. 2-15. Regolazione della trascrizione da parte di proteine ​​G monomeriche simili a Ras attivate da un recettore con la propria attività tirosina-proteina chinasica

Regolazione della trascrizione da parte della proteina che interagisce con gli elementi del DNA cAMP-dipendente (CREB)

CREB, un fattore di trascrizione ampiamente distribuito, è normalmente associato a una regione del DNA chiamata CRE (elemento di risposta cAMP). In assenza di stimolazione, CREB è defosforilato e non influenza la trascrizione. Numerose vie di trasduzione del segnale attraverso l'attivazione di chinasi (come PKA, Ca2+/calmodulina chinasi IV, MAP chinasi) determinano la fosforilazione di CREB. Il CREB fosforilato si lega CBP(proteina legante CREB- CREB-binding protein), che ha un dominio che stimola la trascrizione. Parallelamente, la fosforilazione attiva PP1

(fosfoproteina fosfatasi 1), che defosforila CREB, con conseguente arresto trascrizionale.

È stato dimostrato che l'attivazione del meccanismo mediato da CREB è importante per l'implementazione di funzioni cognitive superiori come l'apprendimento e la memoria.

La Figura 2-15 mostra anche la struttura della PKA cAMP-dipendente, che in assenza di cAMP consiste di quattro subunità: due regolatorie e due catalitiche. La presenza di subunità regolatorie inibisce l'attività enzimatica del complesso. Il legame del cAMP induce un cambiamento conformazionale nelle subunità regolatorie, con conseguente separazione delle subunità regolatorie da quelle catalitiche. La PKA catalitica entra nel nucleo cellulare e avvia il processo di cui sopra.

Riso. 2-16. Regolazione della trascrizione genica da parte di CREB (proteina legante l'elemento di risposta cAMP) attraverso un aumento del livello di adenosina monofosfato ciclico