Химическая природа передачи внутриклеточного сигнала

Под действием цАМФ неактивная протеинкиназа переходит в активную форму. Этот фермент катализирует фосфорилирование внутриклеточных ферментов или белков-мишеней, соответственно изменяя их активность. Процесс фосфорилирования-дефосфорилирования белков при участии протеинкиназ является общим фундаментальным механизмом действия «вторичных» мессенджеров внутри клетки. Это т.н. посттрансляционная химическая модификация белковых молекул, изменяющая как их структуру, так и функции, в конечном итоге определяющая скорость химических реакций и в целом функциональную активность клеток.

В клетках открыт большой класс цАМФ-зависимых протеинкиназ, названных протеинкиназами А; они катализируют перенос фосфатной группы на ОН-группы серина и треонина (серин-треонин-киназы). Другой класс протеинкиназ, в частности активируемый инсулиновым рецептором, действует только на ОН-группу тирозина

Фосфодиэстераза вызывает распад цАМФ и тем самым прекращает действие сигнала.

Инозитолфосфатная система (слайд 28)включает 3 основных мембранных белка: рецептор гормона, фосфолипаза С, белок G_plc, активирующий фосфолипазу.

Связывание гормона с рецептором приводит к изменению его конформации и увеличению сродства с белком G_plc. Он представляет собой триммер, состоящий из субъединиц α, β и γ. При участии ГТФ комплекс «гормон - рецептор - G-белок» диссоциирует с освобождением a-субъединицы. Она взаимодействует с фосфолипазой С и активирует ее. Субстрат этого фермента - фосфатидилинозитол 4,5 бисфосфат (ФИФ). В инозитолфосфатной системе в роли вторичных мессенджеров участвуют инозитол 1,4,5 трисфосфат (ИФ-3), диацилглицерин (ДАГ) и ионы Са 2+ . ИФ-3 выходит в цитозоль. ДАГ остается в мембране и участвует в активации фермента протеинкиназы С. ИФ-3 связывается с кальциевым каналом мембраны ЭПР, канал открывается, и ионы Са 2+ поступают в цитозоль. Увеличивается скорость взаимодействия ионов Са 2+ с неактивной протеинкиназой С и белком кальмодулином.

На внутренней стороне мебраны образуется комплекс «протеинкиназа С - Са 2+ - ДАГ - фосфолипаза С». Происходит активирование протеинкиназы С, которая фосфорилирует ферменты по остаткам серина и треонина и меняет их активность.

Кальмодулин имеет 4 центра для связывания Са 2+ . Взаимодействие комплекса «кальмодулин - Са 2+ » с ферментами приводит к их активации.

Аденилагциклазная и инозитолфосфатная системы регулируют большое количество разных клеточных процессов.

Молекулярные механизмы передачи гормонального сигнала

Несмотря на огромное разнообразие гормонов и гормоноподобных веществ, в основе биологического действия большинства гормонов лежат удивительно сходные, почти одинаковые фундаментальные механизмы, передающие информацию от одних клеток к другим. В современных представлениях о тонких молекулярных механизмах биологического действия большинства гормонов огромную роль сыграли исследования Э. Сазерленда и открытие циклического аденозинмонофосфата.

Известно, что направленность и тонкая регуляция процесса передачи информации обеспечиваются, прежде всего, наличием на поверхности клеток рецепторных молекул (чаще всего белков), узнающих гормональный сигнал. Этот сигнал рецепторы трансформируют в изменение концентраций внутриклеточных посредников, получивших название вторичных мессенджеров, уровень которых определяется активностью ферментов, катализирующих их биосинтез и распад.

По своей химической природе рецепторы почти всех биологически активных веществ оказались гликопротеинами, причем «узнающий» домен (участок) рецептора направлен в сторону межклеточного пространства, в то время как участок, ответственный за сопряжение рецептора с эффекторной системой (с ферментом, в частности), находится внутри (в толще) плазматической мембраны. Общим свойством всех рецепторов является их высокая специфичность по отношению к одному определенному гормону. Известно также, что сопряжение рецептора с эффекторными системами осуществляется через так называемый G-белок, функция которого заключается в обеспечении многократного проведения гормонального сигнала на уровне плазматической мембраны. G-белок в активированной форме стимулирует через аденилатциклазу синтез цАМФ, который запускает каскадный механизм активирования внутриклеточных белков.

Общим фундаментальным механизмом, посредством которого реализуются биологические эффекты «вторичных» мессенджеров внутри клетки, является процесс фосфорилирования - дефосфорилирования белков при участии широкого разнообразия протеинкиназ, катализирующих транспорт концевой группы от АТФ на ОН-группы серина и треонина.

Аденилатциклазная мессенджерная система. Наиболее изученным является аденилатциклазный путь передачи гормонального сигнала. В нем задействовано минимум пять хорошо изученных белков:

1) рецептор гормона;

2) фермент аденилатциклаза, выполняющая функцию синтеза цАМФ;

3) G-белок, осуществляющий связь между аденилатциклазой и рецептором;

4) цАМФ-зависимая протеинкиназа, катализирующая фосфорилир-ование внутриклеточных ферментов или белков-мишеней, соответственно изменяя их активность;

5) фосфодиэстераза, которая вызывает распад цАМФ и тем самым прекращает (обрывает) действие сигнала.

Аденилатциклаза представляет собой интегральный белок плазматических мембран, его активный центр ориентирован в сторону цитоплазмы и катализирует реакцию синтеза цАМФ из АТФ.

Протеинкиназа - это внутриклеточный фермент, через который цАМФ реализует свой эффект.

Следует отметить, что в клетках открыт большой класс цАМФ-зависи-мых протеинкиназ, названных протеинкиназами А; они катализируют перенос фосфатной группы на ОН-группы серина и треонина (так называемые серин-треонинкиназы). Другой класс протеинкиназ действует только на ОН-группу тирозина. Однако во всех случаях добавление фосфатной группы вызывает изменение активности белков или кинетические свойства.

Гормон соматостатин, соединяясь со своим специфическим рецептором - ингибиторным G-белком, ингибирует аденилатциклазу и синтез цАМФ, т.е. вызывает эффект, прямо противоположный вызываемому адреналином и глюкагоном.

Существуют и другие системы регуляции гормональных сигналов, например, гуанилатциклазная мессенджерная система, Са 2+ -мессенджерная система и др.

Тема 7. Молекулярные механизмы передачи сигнала в клетку. Основные механизмы внутриклеточной сигнализации.

Цель: Изучение молекулярных механизмов межклеточной сигнализации, основных этапов передачи сигналов в клетку, способов доставки сигнальных молекул к клеткам.

Задачи обучения:

Изучить способы передачи в клетку внешних сигналов и механизмов клеточного ответа.

Изучить роль вторичных мессенджеров в системе жизнеобеспечения клеток.

Основные вопросы темы:

1. Роль сигнализации для жизнедеятельности клеток

2. Общая характеристика сигнальных молекул.

3.Общая характеристика семейства мембраносвязанных и внутриклеточных рецепторов.

4. Этапы передачи сигналов.

5. Характеристика вторичных мессенджеров.

Информационный блок

Для нормальной жизнедеятельности любого организма составляющие его клетки, подобно людям в социуме, должны чутко реагировать на меняющуюся ситуацию, регулируя свою работу в зависимости от окружающих условий.

Клетка изменяет активности своих ферментов в ответ на получаемые ею из внешней среды специфические сигналы. Эти сигналы представляют собой определенные низкомолекулярные вещества (лиганды), связывающиеся со специальными участками клеточной поверхности - рецепторами. В организме человека лигандами являются, например, нейротрансмиттеры, которые выделяются в синаптических щелях нервными клетками в ответ на нервный импульс, а также вещества, секретируемые другими клетками в окружающую их среду.

Рисунок 1 Основные механизмы трансмембранной передачи сигнальной информации:

I - прохождение растворимой в жирах сигнальной молекулы через клеточную мембрану;

II - связывание сигнальной молекулы с рецептором и активация его внутриклеточного фрагмента; III - регулирование активности ионного канала; IV - передача сигнальной информации с помощью вторичных передатчиков.

1 - лекарство; 2 - внутриклеточный рецептор; 3 - клеточный (трансмембранный) рецептор; 4 - внутриклеточное превращение (биохимическая реакция); 5 - ионный канал; 6 - поток ионов; 7 - вторичный посредник; 8 - фермент или ионный канал; 9 - вторичный посредник.

Первый механизм (участок I на рисунке 1) - растворимая в липидах сигнальная молекула проходит через клеточную мембрану и активирует внутриклеточный рецептор (например, фермент). Так действует оксид азота, ряд жирорастворимых гормонов (глюкокортикоиды, минералокортикоиды, половые гормоны и тиреоидные гормоны) и витамин D. Они стимулируют транскрипцию генов в ядре клетки и, таким образом, синтез новых белков. Механизм действия гормонов заключается в стимуляции синтеза новых белков в ядре клетки.

Второй механизм передачи сигнала через клеточную мембрану (участок II на рисунке 1) - это связывание с клеточными рецепторами, имеющими внеклеточный и внутриклеточный фрагменты (то есть трансмембранными рецепторами). Внеклеточная и внутриклеточная части подобных рецепторов связаны полипептидным мостиком, проходящим через клеточную мембрану. Внутриклеточный фрагмент обладает ферментативной активностью, которая повышается при связывании сигнальной молекулы с рецептором. Соответственно возрастает скорость внутриклеточных реакций, в которых участвует этот фрагмент.

Третий механизм передачи информации - действие на рецепторы, регулирующие открытие или закрытие ионных каналов (участок III на рисунке 1). К естественным сигнальным молекулам, взаимодействующим с такими рецепторами, относятся, в частности, ацетилхолин, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), глицин, аспартат, глутамат и другие. При их взаимодействии с рецептором происходит увеличение трансмембранной проводимости для отдельных ионов, что вызывает изменение электрического потенциала клеточной мембраны. Например, ацетилхолин, взаимодействуя с н-холинорецепторами, увеличивает вход в клетку ионов натрия и вызывает деполяризацию и мышечное сокращение. Взаимодействие гамма-аминомасляной кислоты со своим рецептором приводит к повышению поступления ионов хлора в клетки, усилению поляризации и развитию торможения (угнетения) центральной нервной системы. Этот механизм передачи сигналов отличает быстрота развития эффекта (миллисекунды).

Четвертый механизм передачи химического сигнала реализуется через рецепторы, активизирующие внутриклеточный вторичный передатчик (участок IV на рисунке 1). При взаимодействии с такими рецепторами процесс протекает в четыре этапа. Сигнальная молекула распознается рецептором на поверхности клеточной мембраны, в результате их взаимодействия рецептор активизирует G-белок на внутренней поверхности мембраны. Активизированный G-белок изменяет активность либо фермента, либо ионного канала. Это приводит к изменению внутриклеточной концентрации вторичного посредника, через который уже непосредственно реализуются эффекты (изменяются процессы обмена веществ и энергии). Такой механизм передачи сигнальной информации позволяет усилить передаваемый сигнал. Так если взаимодействие сигнальной молекулы (например, норадреналина) с рецептором длится несколько миллисекунд, то активность вторичного передатчика, которому рецептор передает по эстафете сигнал, сохраняется в течение десятков секунд.

Вторичные посредники - это вещества, которые образуются внутри клетки и являются важными компонентами многочисленных внутриклеточных биохимических реакций. От их концентрации во многом зависит интенсивность и результаты жизнедеятельности клетки и функционирование всей ткани. Каким же образом первичные мессенджеры оказывают влияние на активность белков и, тем самым, на активность клетки?

Для этого внешний по отношению к клетке сигнал должен превратиться во внутренний. Ключевую роль в таком процессе играют образующиеся внутри клетки вторичные мессенджеры, которых на удивление мало. Главенствующую роль среди них играет циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), открытый в 1958 г. Э.Сазерлендом и Т.Роллом.

Это соединение образуется из знаменитой АТФ - аденозинтрифосфорной кислоты, которую часто называют «энергетической разменной монетой» клетки. Как известно, АТФ состоит из азотистого основания аденина, пятиуглеродного циклического сахара и трех остатков фосфорной кислоты. Химические связи между фосфорными остатками богаты энергией. Практически все внутриклеточные процессы, начиная от синтеза белков и кончая мышечным сокращением, получают энергию за счет отщепления одной или двух фосфатных групп АТФ.

Циклический аденозинмонофосфат образуется с помощью фермента аденилатциклазы, который отщепляет от АТФ два остатка фосфорной кислоты, а последний, третий, остаток замыкает через два атома кислорода на сахар рибозу, входящий в состав аденозина. Это удивительное вещество играет роль универсального вторичного мессенджера (посредника).

Наиболее известными вторичными посредниками кроме цАМФ являются циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ), ионы кальция, калия, диацилглицерол и инозитолтрифосфат.

Какие воздействия могут реализовываться с участием вторичных посредников?

цАМФ участвует в мобилизации энергетических запасов (распад углеводов в печени или триглицеридов в жировых клетках), в задержке воды почками, в нормализации кальциевого обмена, в увеличении силы и частоты сердечных сокращений, в образовании стероидных гормонов, в расслаблении гладких мышц и так далее.

Диацилглицерол, инозитолтрифосфат и ионы кальция участвуют в реакциях, которые возникают в клетках при возбуждении некоторых типов адрено- и холинорецепторов.

цГМФ участвует в расслаблении гладких мышц сосудов, стимулируя образование оксида азота в эндотелии сосудов под влиянием ацетилхолина и гистамина.

Таким образом, как транспортные системы, так и механизмы передачи сигнала участвуют в реализации и выполнении двух основных функций (задач) клетки: поддержание стабильности “системы жизнеобеспечения” и выполнение специальных функций.

Рис.2. Главные механизмы образования внутриклеточных мессенджеров

Самостоятельная работа студентов :

Раб.1. В схематической форме составить четыре этапа Четвертого механизма передачи химического сигнала в клетку.

Раб.2. Рассмотреть и подготовить схему «Главные механизмы образования внутриклеточных мессенджеров» к итоговому контролю занятия.

Виды контроля:

1. Контроль исходного уровня знаний

2. Разбор результатов самостоятельной работы студентов

3. Контроль итогового уровня знаний

Методы обучения и преподавания: проведение практических занятий, работа с компьютерными моделями и микропрепаратами.

Внутриклеточные сигнальные пути: исключительная роль системы для организма

На сегодняшний день все еще изучаются невероятные возможности клеток, среди которых система внутриклеточной сигнализации занимает важное место.

Ответ клетки на внутренние или внешние раздражители довольно сложный. Он представляет собой так званый внутриклеточный каскад сигнальных молекул, состоящий из множества биохимических превращений. Некоторые фрагменты этой системы поддерживают выживаемость клеток, другие участвуют в апоптозе.

Понимание особенностей и механизмов функционирования сигнальных путей важно для врачей всех специальностей, в особенности для эндокринологов, иммунологов и дерматологов.

Разновидности молекул, принимающих участие в реализации сигнальных путей

Для того чтобы понимать механизмы формирования внутриклеточных путей передачи информации, необходимо разобраться, какими же бывают посредники - сигнальные молекулы.

Сигнальные молекулы - это различные химические вещества и их соединения, которые способны передавать внутри клетки сигналы из внешней и внутренней среды организма.

В настоящее время выделяют два вида сигнальных молекул: первичные и вторичные посредники.

Первичные мессенджеры, как правило, являются экстраклеточными сигналами. К ним относятся:

Вторичные мессенджеры характеризуются низкой молекулярной массой и высокой скоростью расщепления. К ним относятся:

Сигнальные молекулы по физико-химическим свойствам также делят на липофильные и липофобные.

Механизм внутриклеточной передачи сигнала: классические сигнальные пути

Существует несколько классических способов передачи сигнала между клетками, среди которых наиболее изученным является путь MAPK (mitogen activated protein kinase).

Механизм пути МАРК реализуется следующим образом: сначала происходит трансмембранная активация рецепторов клетки с помощью цитоплазматических и ядерных протеинов, что в дальнейшем воздействует на транскрипцию генов, метаболизм, пролиферацию клеток, апоптоз и другие процессы.

Сигналы от первичных мессенджеров распознаются благодаря тирозиназным рецепторам или рецепторам, связанными с G-белками, которые активируют ГТФазы семейства Ras и Rho. Протеинкиназы фосфорилируют белки-мишени и факторы транскрипции, которые определяют конкретные реакции клеток.

Повреждающие воздействия, такие как окислительный стресс, помимо разрушения компонентов клеток, усиливают экспрессию ряда сигнальных и защитных белков.

Читайте нас также в Instagram

Основные виды гуморальных регуляторных эффектов сигнальных молекул

Передача сигналов между молекулами имеет несколько вариантов путей:
опосредствованный путь передачи сигнала (мембранные рецепторы) и прямой путь рецепции (внутриклеточные рецепторы).

Клетки-мишени - это клетки, имеющие специализированные рецепторы на своей поверхности для определенного вида сигнальных молекул.

Регуляцию сигнальных молекул выполняют такие системы, как эндокринная, паракринная и аутокринная.

1. Эндокринная регуляция заключается в том, что посредники поступают к клеткам-мишеням из желудочно-воротной системы с током крови. Такой механизм характерный для большинства гормонов;

2. Паракринная регуляция осуществляется с помощью сигнальных молекул, которые вырабатываются в пределах одного органа;

3. Аутокринная регуляция характеризуется тем, что вещество оказывает влияние на ту же клетку, в которой оно образуется, тем самым изменяя ее функциональную активность.

Координацию нервной и гуморальной регуляции осуществляет гипоталамо-гипофизарная система.

Последствия гиперактивности некоторых сигнальных путей для организма

На примере постоянной активации сигнального каскада рецептора эпидермального фактора роста (EGFR) можно рассмотреть последствия данного процесса для клеток организма.

Семейство генов RAS имеют огромное значение для сигнального RAS-пути. Нормальный RAS находится преимущественно в неактивной, GDP-связанной форме. Активация RAS регулируется рецепторной тирозинкиназой EGFR.

После связывания рецепторной внеклеточной части тирозинкиназы с фактором роста происходит взаимное фосфорилирование ее внутриклеточных доменов. Образование активного комплекса RAS-GTP происходит в присутствии активирующего GTP-азу белка GAP, в сотни раз ускоряющего гидролиз. После гидролитического превращения GTP в GDP RAS снова инактивируется. Сигнал прерывается. Чтобы воспринять новый сигнал, если он еще существует вне клетки, цикл реактивации должен быть повторен.

Таким образом, каскадная последовательность реакций сигнального пути RAS действует как включатель, определяющий регуляцию генной экспрессии, требующуюся для реализации деления или дифференцировки клетки. Постоянная активация RAS-системы ведет к генным мутациям и злокачественному перерождению клеток.

Читайте также:

  
• Пункция абсцесса легкого. Введение антибиотика в полость абсцесса
  
• Остро возникшая одышка. Врачебная тактика при сильной одышке.
  
• Тромбофлебит: лечение, симптомы и причины тромбофлебита нижних и верхних конечностей
  
• Методика сфигмографии. Скорость распространения пульсовой волны
  
• Геномные болезни. Особенности микроделеционных и дупликационных синдромов