Üldised esitused signaali ülekandeteede kohta

Enamiku regulatoorsete molekulide puhul nende membraaniretseptoriga seondumise ja raku lõpliku vastuse vahel, s.o. muutes selle tööd, kiilutakse keerulist sündmuste jada - teatud signaali edastusteed, mida muidu nimetatakse signaali ülekande teed.

Reguleerivad ained jagunevad tavaliselt endokriinseks, neurokriinseks ja parakriinseks. Endokriinne regulaatorid (hormoonid) välja paistma endokriinsed rakud verre ja selle kaudu sihtrakkudesse, mis võivad paikneda kõikjal kehas. neurokriinne regulaatoreid vabastavad neuronid sihtrakkude vahetus läheduses. parakriinne ained vabanevad sihtmärkidest veidi kaugemal, kuid siiski piisavalt lähedal, et jõuda retseptoriteni. Parakriinseid aineid sekreteerivad ühte tüüpi rakud ja need toimivad teisele, kuid mõnel juhul on regulaatorid suunatud rakkudele, mis neid sekreteerisid, või sama tüüpi naaberrakkudele. Seda nimetatakse autokriinne määrus.

Mõnel juhul seisneb signaaliülekande viimane etapp teatud efektorvalkude fosforüülimises, mis viib nende aktiivsuse suurenemiseni või pärssimiseni ning see omakorda määrab organismile vajaliku rakulise vastuse. Teostatakse valkude fosforüülimine proteiinkinaas, ja defosforüülimine valgu fosfataas.

Muutused proteiinkinaasi aktiivsuses tulenevad regulatoorse molekuli (üldnimetusega ligand) oma membraaniretseptoriga, mis käivitab sündmuste kaskaadid, millest mõned on näidatud joonisel (joonis 2-1). Erinevate proteiinkinaaside aktiivsust reguleerib retseptor mitte otse, vaid läbi sekundaarsed sõnumitoojad(teisesed vahendajad), mis on näiteks tsükliline AMP (cAMP), tsükliline GMP (cGMP), Ca 2+, inositool-1,4,5-trifosfaat (IP 3) ja diatsüülglütserool (DAG). Sel juhul muudab ligandi seondumine membraaniretseptoriga teise messengeri intratsellulaarset taset, mis omakorda mõjutab proteiinkinaasi aktiivsust. Paljud regulaatorid

spetsiifilised molekulid mõjutavad rakuprotsesse läbi signaaliülekande radade, mis hõlmavad heterotrimeersed GTP-d siduvad valgud (heterotrimeersed G-valgud) või monomeersed GTP-siduvad valgud (monomeersed G-valgud).

Kui ligandimolekulid seonduvad membraaniretseptoritega, mis interakteeruvad heterotrimeersete G-valkudega, lülitub G-valk GTP-ga seondudes aktiivsesse olekusse. Aktiveeritud G-valk võib seejärel suhelda paljudega efektorvalgud. eriti ensüümid nagu adenülaattsüklaas, fosfodiesteraas, fosfolipaasid C, A2 ja D. See interaktsioon käivitab reaktsiooniahelad (joonis 2-1), mille tulemuseks on erinevate proteiinkinaaside, nagu nt. proteiinkinaas A (PKA), proteiinkinaas G (PKG), proteiinkinaas C (PIS).

Üldiselt hõlmab G-valke - proteiinkinaase hõlmav signaaliülekande rada järgmisi etappe.

1. Ligand seondub rakumembraanil oleva retseptoriga.

2. Ligandiga seotud retseptor, interakteerudes G-valguga, aktiveerib selle ja aktiveeritud G-valk seob GTP-d.

3. Aktiveeritud G-valk interakteerub ühe või mitme järgmise ühendiga: adenülaattsüklaas, fosfodiesteraas, fosfolipaasid C, A 2, D, aktiveerides või inhibeerides neid.

4. Ühe või mitme teise sõnumitooja, nagu cAMP, cGMP, Ca 2+, IP 3 või DAG, intratsellulaarne tase suureneb või väheneb.

5. Teise messengeri kontsentratsiooni suurenemine või vähenemine mõjutab ühe või mitme sellest sõltuva proteiinkinaasi aktiivsust, nagu cAMP-sõltuv proteiinkinaas (valgukinaas A), cGMP-sõltuv proteiinkinaas (PCG), kalmoduliinist sõltuv proteiinkinaas(CMPC), proteiinkinaas C. Teise messengeri kontsentratsiooni muutus võib aktiveerida ühe või teise ioonkanali.

6. Muutub ensüümi või ioonikanali fosforüülimise tase, mis mõjutab ioonkanali aktiivsust, põhjustades raku lõpliku reaktsiooni.

Riis. 2-1. Mõned sündmuste kaskaadid, mis sekundaarsete vahendajate toimel rakus realiseeruvad.

Nimetused: * - aktiveeritud ensüüm

G-valkudega seotud membraaniretseptorid

Membraaniretseptorid, mis vahendavad G-valkude agonistist sõltuvat aktivatsiooni, moodustavad enam kui 500 liikmelise erilise valkude perekonna. See sisaldab α- ja β-adrenergiliste, muskariinset atsetüülkoliini, serotoniini, adenosiini, haistmisretseptoreid, rodopsiini, aga ka enamiku peptiidhormoonide retseptoreid. G-valguga seotud retseptorite perekonna liikmetel on seitse transmembraanset α-heeliksit (joonis 2-2A), millest igaüks sisaldab 22-28 valdavalt hüdrofoobset aminohappejääki.

Mõnede ligandide, nagu atsetüülkoliin, epinefriin, norepinefriin ja serotoniin, puhul on teada erinevad G-valguga seotud retseptori alatüübid. Sageli erinevad need afiinsuse poolest konkureerivate agonistide ja antagonistide suhtes.

Järgnev on (joonis 2-2 B) adenülaattsüklaasi molekulaarne organisatsioon, ensüüm, mis toodab cAMP-d (esimene avastatud teine ​​sõnumitooja). Adenülaattsüklaasi regulatsioonirada peetakse klassikaliseks G-valgu vahendatud signaaliülekande rajaks.

Adenülüültsüklaas on aluseks signaaliülekande radade positiivsele või negatiivsele kontrollile G-valkude kaudu. Positiivse kontrolli korral põhjustab β-adrenergiliste retseptorite kaudu toimiva stimuleeriva ligandi, nagu epinefriini, seondumine heterotrimeersete G-valkude aktivatsiooni as-tüüpi α-subühikuga ("s" tähistab stimulatsiooni). Gs-tüüpi G-valkude aktiveerimine ligandiga seotud retseptori poolt põhjustab selle subühikuna seondumise GTP-ga ja dissotsieerumise seejärel βγ-dimeerist.

Joonis 2-2B näitab, kuidas fosfolipaas C lõikab fosfatidüülinositool-4,5-difosfaadi inositool-1,4,5-trifosfaadiks ja diatsüülglütserooliks. Mõlemad ained, inositool-1,4,5-trifosfaat ja diatsüülglütserool, on teiseks sõnumitoojaks. IP3 seondub endoplasmaatilise retikulumi spetsiifiliste ligandist sõltuvate Ca 2+ kanalitega ja vabastab sellest Ca 2+; suurendab Ca 2+ kontsentratsiooni tsütosoolis. Diatsüülglütserool koos Ca 2+ -ga aktiveerib teise oluline klass proteiinkinaas - proteiinkinaas C.

Seejärel näidatakse mõne teise sõnumikandja struktuuri (joonis 2-2 D-F): cAMP, GMF,

cGMP.

Riis. 2-2. Näited mõnede signaaliülekande radadega seotud struktuuride molekulaarsest organiseeritusest.

A on rakumembraani retseptor, mis seob ligandi välispinnal ja heterotrimeerse G-valgu sees. B - adenülaattsüklaasi molekulaarne organisatsioon. B - fosfatidüülinositool-4,5-difosfaadi ja inositool-1,4,5-trifosfaadi struktuur, mis moodustuvad fosfolipaas C ja diatsüülglütserooli toimel. D - 3",5"-tsüklilise AMP struktuur (proteiinkinaasi A aktivaator). D - HMF struktuur. E - 3,5"-tsüklilise GMF struktuur (proteiinkinaasi G aktivaator)

Heterotrimeersed G-valgud

Heterotrimeerne G-valk koosneb kolmest alaühikust: α (40 000–45 000 Da), β (umbes 37 000 Da) ja γ (8 000–10 000 Da). Praegu on teada, et neid subühikuid kodeerivad umbes 20 erinevat geeni, sealhulgas vähemalt neli imetaja β-subühiku geeni ja ligikaudu seitse imetaja γ-subühiku geeni. G-valgu funktsiooni ja spetsiifilisuse määrab tavaliselt, kuigi mitte alati, selle α-subühik. Enamikus G-valkudes on β ja y subühikud tihedalt seotud. Mõned heterotrimeersed G-valgud ja transduktsioonirajad, milles need osalevad, on loetletud tabelis 1. 2-1.

Heterotrimeersed G-valgud vahendavad rohkem kui 100 rakuvälise regulatoorse aine plasmamembraani retseptorite ja nende poolt kontrollitavate intratsellulaarsete protsesside vahel. Üldiselt aktiveerib regulatoorse aine seondumine selle retseptoriga G-valgu, mis kas aktiveerib või inhibeerib ensüümi ja/või põhjustab sündmuste ahela, mis viib teatud ioonikanalite aktiveerimiseni.

Joonisel fig. 2-3 esitati üldpõhimõte heterotrimeersete G-valkude töö. Enamikus G-valkudes on α-subühik heterotrimeersete G-valkude "tööüksus". Enamiku G-valkude aktiveerimine põhjustab selle alaühiku konformatsioonilise muutuse. Inaktiivsed G-valgud eksisteerivad peamiselt αβγ heterotrimeeride kujul,

SKTga nukleotiidi siduvates positsioonides. Heterotrimeersete G-valkude interaktsioon ligandiga seotud retseptoriga viib α-subühiku muutumiseni aktiivseks vormiks, millel on suurenenud afiinsus GTP suhtes ja vähenenud afiinsus βγ-kompleksi suhtes. Selle tulemusena vabastab aktiveeritud α-subühik GDP, seob GTP-d ja dissotsieerub seejärel βγ-dimeerist. Enamikus G-valkudes interakteerub dissotsieerunud α-subühik seejärel signaaliülekande rajal efektorvalkudega. Kuid mõnes G-valgus võib vabanenud βγ-dimeer olla vastutav mõne või kõigi retseptor-ligandi kompleksi mõjude eest.

Mõnede ioonkanalite tööd moduleerivad otseselt G-valgud; ilma sekundaarsete sõnumitoojate osaluseta. Näiteks atsetüülkoliini seondumine muskariini M 2 retseptoritega südames ja mõnedes neuronites viib spetsiaalse K+-kanalite klassi aktiveerumiseni. Sel juhul viib atsetüülkoliini seondumine muskariiniretseptoriga G-valgu aktiveerimiseni. Selle aktiveeritud α-subühik eraldub seejärel βγ-dimeerist ja βγ-dimeer interakteerub otseselt K+-kanalite eriklassiga, viies need avatud olekusse. Atsetüülkoliini seondumine muskariiniretseptoritega, mis suurendab südame sinoatriaalses sõlmes südamestimulaatori rakkude K+ juhtivust, on üks peamisi mehhanisme, mille abil parasümpaatilised närvid põhjustavad südame löögisageduse langust.

Riis. 2-3. Heterotrimeersete GTP-siduvate valkude (heterotrimeersete G-proteiinide) tööpõhimõte.

Tabel 2-1.Mõned heterotrimeersed imetajate GTP-d siduvad valgud, mis on klassifitseeritud nende α-subühikute* alusel

* Igas α-subühikute klassis eristatakse mitut isovormi. Tuvastatud on üle 20 α-subühiku.

Monomeersed G-valgud

Rakud sisaldavad teist GTP-d siduvate valkude perekonda, mida nimetatakse monomeerne GTP-d siduvad valgud. Neid tuntakse ka kui Madala molekulmassiga G-valgud või väikesed G-valgud(molekulmass 20 000-35 000 Da). Tabelis 2-2 on loetletud monomeersete GTP-d siduvate valkude peamised alamklassid ja mõned nende omadused. Ras- ja Rho-sarnased monomeersed GTP-d siduvad valgud osalevad signaaliülekande rajas kasvufaktori retseptori türosiinkinaasi signaaliülekande etapis rakusiseste efektoriteni. Signaaliülekande radade poolt reguleeritavatest protsessidest, milles osalevad monomeersed GTP-d siduvad valgud, on polüpeptiidahela pikenemine valgusünteesi käigus, rakkude proliferatsioon ja diferentseerumine, nende pahaloomuline transformatsioon, aktiini tsütoskeleti kontroll, side tsütoskeleti vahel.

ja ekstratsellulaarne maatriks, vesiikulite transport erinevate organellide vahel ning eksotsütootiline sekretsioon.

Monomeersed GTP-d siduvad valgud, nagu ka nende heterotrimeersed vasted, on molekulaarsed lülitid, mis eksisteerivad kahel kujul – aktiveeritud "sisse" ja inaktiveeritud "väljas" (joonis 2-4 B). Monomeersete GTP-d siduvate valkude aktiveerimiseks ja inaktiveerimiseks on aga vaja täiendavaid regulaatorvalke, mida teadaolevalt heterotrimeersete G-valkude tööks vaja ei lähe. Monomeersed G-valgud aktiveeritakse guaniini nukleotiide vabastavad valgud, kuid on inaktiveeritud GTPaasi aktiveerivad valgud. Seega juhitakse monomeersete GTP-d siduvate valkude aktiveerimist ja inaktiveerimist signaalidega, mis muudavad aktiivsust. guaniini nukleotiidi vabastavad valgud või GTPaasi aktiveerivad valgud mitte monomeersete G-valkude otsesel toimel.

Riis. 2-4. Monomeersete GTP-siduvate valkude (monomeersete G-proteiinide) tööpõhimõte.

Tabel 2-2.Monomeersete GTP-d siduvate valkude alamperekonnad ja mõned nende poolt reguleeritud rakusisesed protsessid

Heterotrimeersete G-valkude töömehhanism

Inaktiivsed G-valgud eksisteerivad peamiselt αβγ heterotrimeeride kujul, kusjuures GDP on nende nukleotiidi siduvates positsioonides (joonis 2-5A). Heterotrimeersete G-valkude interaktsioon ligandiga seotud retseptoriga viib α-subühiku muutumiseni aktiivseks vormiks, millel on suurenenud afiinsus GTP suhtes ja vähenenud afiinsus βγ-kompleksi suhtes (joonis 2-5 B). ). Enamikus heterotrimeersetes G-valkudes on teavet edastavaks struktuuriks α-subühik. Enamiku G-valkude aktiveerimine toob kaasa konformatsioonilise muutuse α-subühikus.

Selle tulemusena vabastab aktiveeritud α-subühik GDP, seob GTP-d (joonis 2-5C) ja dissotsieerub seejärel βγ-dimeerist (joonis 2-5D). Enamikus G-valkudes interakteerub dissotsieerunud α-subühik koheselt efektorvalkudega (E 1) signaaliülekande rajal (joonis 2-5D). Kuid mõnes G-valgus võib vabanenud βγ-dimeer olla vastutav retseptor-ligandi kompleksi kõigi või osade mõjude eest. Seejärel interakteerub βγ-dimeer efektorvalguga E 2 (joonis 2-5 E). Lisaks on näidatud, et G-valgu RGS perekonna liikmed stimuleerivad GTP hüdrolüüsi (joonis 2-5 E). See inaktiveerib α-subühiku ja ühendab kõik subühikud αβγ heterotrimeeriks.

Riis. 2-5. Heterotrimeerse G-valgu töötsükkel, mis käivitab oma abil edasise sündmuste ahela.α - allüksused.

Nimetused: R - retseptor, L - ligand, E - efektorvalk

Signaali ülekandeteed heterotrimeersete G-valkude kaudu

Joonisel fig 2-6A on näidatud kolm ligandit, nende erinevate G-valkudega seotud retseptoreid ja nende molekulaarseid sihtmärke. Adenülaattsüklaas on G-valkude vahendatud signaaliülekanderadade positiivse või negatiivse kontrolli aluseks. Positiivses kontrollis põhjustab β-adrenergiliste retseptorite kaudu toimiva stimuleeriva ligandi, nagu norepinefriini, seondumine heterotrimeersete G-valkude aktiveerumist α-S tüüpi α-subühikuga ("s" tähistab stimulatsiooni). Seetõttu nimetatakse sellist G-valku G S-tüüpi G-valguks. Gs-tüüpi G-valkude aktiveerimine ligandiga seotud retseptori poolt põhjustab selle α-subühiku seondumise GTP-ga ja dissotsieerumise seejärel β y dimeerist.

Adenülaattsüklaasi negatiivses või inhibeerivas kontrollis osalevad teised regulatoorsed ained, nagu epinefriin, mis toimib α 2 retseptorite kaudu, adenosiin, mis toimib α 1 retseptorite kaudu, või dopamiin, mis toimib D 2 retseptorite kaudu. Need reguleerivad ained aktiveerivad Gi-tüüpi G-valke, millel on αi-tüüpi α-subühik ("i" tähistab inhibeerimist). Inhibeeriva ligandi seondumine sellega

retseptor aktiveerib G i-tüüpi G-valke ja põhjustab selle αi-subühiku dissotsiatsiooni βγ-dimeerist. Aktiveeritud αi-subühik seondub adenülaattsüklaasiga ja pärsib selle aktiivsust. Lisaks võivad βγ-dimeerid siduda vabu αs-subühikuid. Sel viisil pärsib βγ-dimeeride seondumine vaba α-subühikuga veelgi adenülaattsüklaasi stimuleerimist, blokeerides stimuleerivate ligandide toimet.

Teine klass ekstratsellulaarseid agoniste (joonis 2-6 A) seondub retseptoritega, mis aktiveerivad G-valgu nimega Gq kaudu fosfolipaasi C β-isovormi. See lõhustab fosfatidüülinositool-4,5-difosfaati (väikestes kogustes esinev fosfolipiid). plasmamembraanis) inositool-1,4,5-trifosfaadiks ja diatsüülglütserooliks, mis on sekundaarsed sõnumitoojad. IP 3 seondub endoplasmaatilise retikulumi spetsiifiliste ligandist sõltuvate Ca 2+ kanalitega ja vabastab sellest Ca 2+; suurendab Ca 2+ kontsentratsiooni tsütosoolis. Endoplasmaatilise retikulumi Ca 2+ kanalid osalevad skeleti- ja südamelihase elektromehaanilises sidumises. Diatsüülglütserool koos Ca 2+ -ga aktiveerib proteiinkinaasi C. Selle substraatide hulka kuuluvad näiteks valgud, mis osalevad rakkude jagunemise reguleerimises.

Riis. 2-6. Näited signaaliülekande radadest heterotrimeersete G-valkude kaudu.

A – kolmes toodud näites viib neurotransmitteri seondumine retseptoriga G-valgu aktiveerimiseni ja sellele järgnevate sekundaarsete sõnumite radade kaasamiseni. G s , G q ja G i tähendavad kolme erinevat tüüpi heterotrimeersed G-valgud. B - rakuliste valkude reguleerimine fosforüülimise teel viib nende aktiivsuse suurenemiseni või pärssimiseni ning see omakorda määrab organismile vajaliku rakulise vastuse. Valkude fosforüülimist teostavad proteiinkinaasid ja defosforüülimist proteiinfosfataasid. Proteiini kinaas kannab fosfaatrühma (Pi) ATP-st üle valkude seriini-, treoniini- või türosiinijääkidele. See fosforüülimine muudab pöörduvalt raku valkude struktuuri ja funktsiooni. Mõlemat tüüpi ensüüme, kinaase ja fosfataase, reguleerivad erinevad rakusisesed sekundaarsed sõnumitoojad.

Intratsellulaarsete proteiinkinaaside aktiveerimise teed

Heterotrimeersete G-valkude interaktsioon ligandiga seotud retseptoriga viib α-subühiku muutumiseni aktiivseks vormiks, millel on suurenenud afiinsus GTP suhtes ja vähenenud afiinsus βγ-kompleksi suhtes. Enamiku G-valkude aktiveerimine toob kaasa konformatsioonilise muutuse α-subühikus, mis vabastab GDP, seob GTP-d ja dissotsieerub seejärel βγ-dimeerist. Lisaks interakteerub dissotsieerunud α-subühik efektorvalkudega signaaliülekande rajal.

Joonisel fig 2-7A on näidatud heterotrimeersete Gs-tüüpi G-valkude aktiveerimine αs-tüüpi α-subühikuga, mis toimub retseptori ligandiga seondumise tõttu ja toob kaasa asjaolu, et Gs-tüüpi αs-subühik G-valgud seovad GTP-d ja dissotsieeruvad seejärel βγ-dimeerist ning interakteeruvad adenülaattsüklaas. See toob kaasa cAMP taseme tõusu ja PKA aktivatsiooni.

Joonisel fig 2-7B on näidatud heterotrimeersete Gt-tüüpi G-valkude aktiveerimine αt-tüüpi α-subühikuga, mis toimub retseptori ligandiga seondumise tõttu ja toob kaasa asjaolu, et Gt-tüüpi αt-subühik G-valgud aktiveeritakse ja seejärel dissotsieeruvad βγ-dimeerist ning seejärel interakteeruvad fosfodiesteraas. See toob kaasa cGMP taseme tõusu ja PKG aktiveerimise.

α1 katehhoolamiini retseptor interakteerub G αq subühikuga, mis aktiveerib fosfolipaasi C. Joonisel 2-7B on näidatud heterotrimeersete G αq-tüüpi G valkude aktivatsioon α q tüüpi α-subühikuga, mis toimub ligandi seondumise tõttu retseptoriga. ja viib selleni, et G-valkude G αq-tüüpi αq-subühik aktiveeritakse ja seejärel dissotsieerub βγ-dimeerist ja seejärel interakteerub fosfolipaas C. See lõhustab fosfatidüülinositool-4,5-difosfaadi IP 3-ks ja DAG-ks. Selle tulemuseks on IP 3 ja DAG taseme tõus. IP3, seondub endoplasmaatilise retikulumi spetsiifiliste ligandist sõltuvate Ca 2+ kanalitega,

vabastab sellest Ca 2+. DAG põhjustab proteiinkinaasi C aktivatsiooni. Stimuleerimata rakus on märkimisväärne kogus seda ensüümi tsütosoolis inaktiivsel kujul. Ca 2+ põhjustab proteiinkinaasi C seondumise plasmamembraani sisepinnaga. Siin saab ensüümi aktiveerida diatsüülglütserooliga, mis moodustub fosfatidüülinositool-4,5-difosfaadi hüdrolüüsi käigus. Membraanfosfatidüülseriin võib olla ka proteiinkinaas C aktivaator, kui ensüüm on membraanis.

Kirjeldatud on umbes 10 proteiinkinaasi C isovormi. Kuigi mõned neist esinevad paljudes imetajarakkudes, leidub γ ja ε alatüüpe peamiselt tsentraalse kinaasi rakkudes. närvisüsteem. Proteiinkinaasi C alatüübid erinevad mitte ainult kogu kehas jaotumise poolest, vaid ilmselt ka nende aktiivsuse reguleerimise mehhanismide poolest. Mõned neist stimuleerimata rakkudes on seotud plasmamembraaniga; ei nõua aktiveerimiseks Ca 2+ kontsentratsiooni suurendamist. Mõned proteiinkinaas C isovormid aktiveeritakse arahhidoonhappe või teiste küllastumata rasvhapete poolt.

Proteiinkinaas C esmane lühiajaline aktiveerumine toimub diatsüülglütserooli toimel, mis vabaneb fosfolipaasi C β aktiveerimisel, ja ka Ca 2+ toimel, mis vabaneb rakusisesest laost IP 3 abil. Proteiinkinaas C kauakestva aktivatsiooni käivitavad retseptorist sõltuvad fosfolipaasid A2 ja D. Need toimivad peamiselt fosfatidüülkoliinile, peamisele membraani fosfolipiidile. Fosfolipaas A 2 eraldab sellest teises asendis rasvhappe (tavaliselt küllastumata) ja lüsofosfatidüülkoliini. Mõlemad tooted aktiveerivad teatud proteiinkinaas C isovorme. Retseptor-sõltuv fosfolipaas D lõhustab fosfatidüülkoliini, moodustades fosfatiidhappe ja koliini. Fosfatiidhape lõhustatakse edasi diatsüülglütserooliks, mis osaleb proteiinkinaas C pikaajalises stimuleerimises.

Riis. 2-7. Proteiinkinaas A, proteiinkinaas G ja proteiinkinaas C aktiveerimise põhiprintsiibid.

Nimetused: R - retseptor, L - ligand

cAMP-sõltuv proteiinkinaas (proteiini kinaas A) ja sellega seotud signaalirajad

cAMP puudumisel koosneb cAMP-sõltuv proteiinkinaas (proteiini kinaas A) neljast subühikust: kahest reguleerivast ja kahest katalüütilisest subühikust. Enamikus rakutüüpides on katalüütiline alaühik sama, samas kui reguleerivad alaühikud on väga spetsiifilised. Reguleerivate subühikute olemasolu pärsib peaaegu täielikult kompleksi ensümaatilise aktiivsuse. Seega peaks cAMP-sõltuva proteiinkinaasi ensümaatilise aktiivsuse aktiveerimine hõlmama reguleerivate subühikute eraldamist kompleksist.

Aktiveerimine toimub cAMP mikromolaarsete kontsentratsioonide juuresolekul. Iga reguleeriv allüksus seob kahte oma molekuli. cAMP seondumine kutsub esile konformatsioonilised muutused regulatoorsetes allüksustes ja vähendab nende interaktsiooni afiinsust katalüütiliste subühikutega. Selle tulemusena eraldatakse reguleerivad alaühikud katalüütilistest alaühikutest ja katalüütilised subühikud aktiveeruvad. Aktiivne katalüütiline subühik fosforüleerib sihtvalke teatud seriini- ja treoniinijääkide juures.

cAMP-sõltuvate ja teiste proteiinkinaaside klasside aminohappejärjestuste võrdlus näitab, et hoolimata nende regulatoorsete omaduste tugevatest erinevustest on kõik need ensüümid keskosa primaarstruktuuris väga homoloogsed. See osa sisaldab ATP-d siduvat domeeni ja ensüümi aktiivset saiti, mis tagab fosfaadi ülekande ATP-st aktseptorvalgule. Kinaasi aktiivsuse reguleerimises osalevad väljaspool seda valgu katalüütilist südamikku asuvad kinaasid.

Samuti on määratud cAMP-sõltuva proteiinkinaasi katalüütilise subühiku kristallstruktuur. Molekuli katalüütiline keskosa, mis esineb kõigis teadaolevates proteiinkinaasides, koosneb kahest labast. Väiksem osa sisaldab ebatavalist ATP-sidumissaiti, samas kui suurem osa sisaldab peptiidi sidumissaiti. Paljud proteiinkinaasid sisaldavad ka reguleerivat piirkonda, mida tuntakse kui pseudosubstraadi domeen. Aminohappejärjestuse järgi meenutab see substraatvalkude fosforüülitud piirkondi. Pseudosubstraadi domeen, seondudes proteiinkinaasi aktiivse saidiga, inhibeerib proteiinkinaasi tõeliste substraatide fosforüülimist. Kinaasi aktiveerimine võib hõlmata proteiinkinaasi fosforüülimist või mittekovalentset allosteerilist modifikatsiooni, et kõrvaldada pseudosubstraadi domeeni inhibeeriv toime.

Riis. 2-8. cAMP-sõltuv proteiinkinaas A ja sihtmärgid.

Kui epinefriin seondub sobiva retseptoriga, stimuleerib α-subühiku aktiveerimine adenülaattsüklaasi koos cAMP taseme tõusuga. cAMP aktiveerib proteiinkinaasi A, millel on fosforüülimise teel kolm peamist mõju. (1) Proteiini kinaas A aktiveerib glükogeeni fosforülaasi kinaasi, mis fosforüleerib ja aktiveerib glükogeeni fosforülaasi. (2) Proteiini kinaas A inaktiveerib glükogeeni süntaasi ja vähendab seega glükogeeni tootmist. (3) Proteiini kinaas A aktiveerib fosfoproteiinfosfataas-1 inhibiitori ja inhibeerib seeläbi fosfataasi. Üldine mõju on glükoositaseme muutuste koordineerimine.

Nimetused: UDP-glükoos – uridiindifosfaatglükoos

Adenülaattsüklaasi aktiivsuse hormonaalne reguleerimine

Joonisel fig 2-9A on näidatud hormoonide poolt indutseeritud adenülaattsüklaasi stimuleerimise ja inhibeerimise põhimehhanism. Ligandi interaktsioon α-tüüpi α-subühikuga seotud retseptoriga (stimuleeriv) põhjustab adenülaattsüklaasi aktivatsiooni, samas kui ligandi interaktsioon retseptoriga, mis on seotud αi-tüüpi α-subühikuga (inhibeeriv), põhjustab ensüüm. G βγ subühik on identne nii stimuleerivates kui ka inhibeerivates G-valkudes. G α -subühikud ja retseptorid on erinevad. Ligand-stimuleeritud aktiivsete G α GTP komplekside moodustumine toimub samade mehhanismide kaudu nii G α kui ka G αi valkudes. Kuid G αs GTP ja G αi GTP interakteeruvad adenülaattsüklaasiga erinevalt. Üks (G αs GTP) stimuleerib ja teine ​​G αi GTP) pärsib selle katalüütilist aktiivsust.

Joonisel fig 2-9B on näidatud teatud hormoonide poolt indutseeritud adenülaattsüklaasi aktiveerimise ja inhibeerimise mehhanism. β 1 -, β 2 - ja D 1 -retseptorid interakteeruvad subühikutega, mis aktiveerivad adenülaattsüklaasi ja suurendavad cAMP taset. α 2 ja D 2 retseptorid interakteeruvad G αi subühikutega, mis inhibeerivad adenülaattsüklaasi. (Mis puutub α 1 retseptorisse, siis see interakteerub G-subühikuga, mis aktiveerib fosfolipaasi C.) Vaatleme ühte joonisel kujutatud näidetest. Adrenaliin seondub β 1 retseptoriga, mis viib G αs valgu aktiveerumiseni, mis stimuleerib adenülaattsüklaasi. See toob kaasa cAMP intratsellulaarse taseme tõusu ja seega suurendab PKA aktiivsust. Teisest küljest seondub norepinefriin α 2 retseptoriga, mis viib G αi valgu aktiveerumiseni, mis inhibeerib adenülaattsüklaasi ja vähendab seeläbi cAMP rakusisest taset, vähendades PKA aktiivsust.

Riis. 2-9. Ligandi (hormoonide) poolt indutseeritud adenülaattsüklaasi aktiveerimine ja inhibeerimine.

A on selle aluseks olev mehhanism. B - mehhanism seoses konkreetsete hormoonidega

Proteiini kinaas C ja sellega seotud signaalirajad

α1 retseptor interakteerub G-valgu G αq subühikuga, mis aktiveerib fosfolipaas C. Fosfolipaas C lõhustab fosfatidüülinositool-4,5-difosfaadi IP 3-ks ja DAG-ks. IP 3 seondub endoplasmaatilise retikulumi spetsiifiliste ligandist sõltuvate Ca 2+ kanalitega ja vabastab sellest Ca 2+; suurendab Ca 2+ kontsentratsiooni tsütosoolis. DAG põhjustab proteiinkinaas C aktivatsiooni. Stimuleerimata rakus on see ensüüm inaktiivses tsütosoolis

vormi. Kui Ca 2+ tsütosoolne tase tõuseb, interakteerub Ca 2+ proteiinkinaas C-ga, mis viib proteiinkinaas C seondumiseni rakumembraani sisepinnaga. Selles asendis aktiveerib ensüümi diatsüülglütserool, mis moodustub fosfatidüülinositool-4,5-difosfaadi hüdrolüüsi käigus. Membraanfosfatidüülseriin võib olla ka proteiinkinaas C aktivaator, kui ensüüm on membraanis.

Tabelis 2-3 on loetletud proteiinkinaas C imetajate isovormid ja nende isovormide omadused.

Tabel 2-3.Imetajate proteiinkinaas C isovormide omadused

DAG - diatsüülglütserool; FS - fosfatidüülseriin; FFA – cis-küllastumata rasvhapped; LPC - lüsofosfatidüülkoliin.

Riis. 2-10. Diatsüülglütserool/inositool-1,4,5-trifosfaadi signaaliülekandeteed

Fosfolipaasid ja nendega seotud signaalirajad, kasutades näitena arahhidoonhapet

Mõned agonistid aktiveeruvad G-valkude kaudu fosfolipaas A2, mis toimib membraani fosfolipiididele. Nende reaktsioonisaadused võivad aktiveerida proteiinkinaasi C. Eelkõige eraldab fosfolipaas A 2 teisel positsioonil asuva rasvhappe fosfolipiididest. Kuna mõned fosfolipiidid sisaldavad selles asendis arahhidoonhapet, vabaneb nende fosfolipiidide fosfolipaasi A 2 lõhustumise tõttu märkimisväärne kogus seda.

Ülalkirjeldatud arahhidoonhappe signaaliülekande rada, mis on seotud fosfolipaas A2-ga, nimetatakse otseseks. Arahhidoonhappe aktiveerimise kaudne rada on seotud fosfolipaasi C β-ga.

Arahhidoonhape ise on efektormolekul ja lisaks sellele toimib see rakusisese sünteesi eelkäijana prostaglandiinid, prostatsükliinid, tromboksaanid ja leukotrieenid- reguleerivate molekulide olulised klassid. Arahhidoonhape tekib ka diatsüülglütseroolide laguproduktidest.

Arahhidoonhappest sünteesitakse prostaglandiinid, prostatsükliinid ja tromboksaanid. tsüklooksügenaasist sõltuv rada ja leukotrieenid lipoksügenaasist sõltuv rada. Glükokortikoidide üheks põletikuvastaseks toimeks on just fosfolipaasi A 2 pärssimine, mis vabastab fosfolipiididest arahhidoonhappe. Atsetüülsalitsüülhape(aspiriin  ) ja teised mittesteroidsed põletikuvastased ravimid pärsivad arahhidoonhappe oksüdatsiooni tsüklooksügenaasi toimel.

Riis. 2-11. Arahhidoonhappe signaalirajad.

Nimetused: PG - prostaglandiin, LH - leukotrieen, GPETE - hüdroperoksüeikosatetraenoaat, HETE - hüdroksüeikosatetraenoaat, EPR - endoplasmaatiline retikulum

Kalmoduliin: struktuur ja funktsioonid

Paljusid elutähtsaid rakuprotsesse, sealhulgas neurotransmitterite vabanemist, hormoonide sekretsiooni ja lihaste kokkutõmbumist, reguleerib tsütosoolne Ca 2+ tase. Üks viis, kuidas see ioon rakuprotsesse mõjutab, on selle seondumine kalmoduliiniga.

Kalmoduliin- valk molekulmassiga 16 700 (joonis 2-12 A). Seda leidub kõigis rakkudes, moodustades mõnikord kuni 1% nende koguvalgusisaldusest. Kalmoduliin seob nelja kaltsiumiiooni (joonis 2-12 B ja C), misjärel see kompleks reguleerib erinevate rakusiseste valkude aktiivsust, millest paljud ei ole proteiinkinaasidega seotud.

Ca 2+ kompleks kalmoduliiniga aktiveerib ka kalmoduliinist sõltuvaid proteiinkinaase. Spetsiifilised kalmoduliinist sõltuvad proteiinkinaasid fosforüülivad spetsiifilisi efektorvalke, nagu müosiini reguleerivad kerged ahelad, fosforülaas ja elongatsioonifaktor II. Multifunktsionaalsed kalmoduliinist sõltuvad proteiinkinaasid fosforüleerivad paljusid tuuma-, tsütoskeleti- või membraanivalke. Mõned kalmoduliinist sõltuvad proteiinkinaasid, näiteks kinaas

müosiini kerge ahel ja fosforülaasi kinaas toimivad ainult ühele rakusubstraadile, samas kui teised on polüfunktsionaalsed ja fosforüleerivad rohkem kui ühte substraatvalku.

Kalmoduliinist sõltuv proteiinkinaas II kuulub närvisüsteemi peamiste valkude hulka. Mõnes ajupiirkonnas moodustab see kuni 2% koguvalgust. See kinaas osaleb mehhanismis, mille abil Ca 2+ kontsentratsiooni suurenemine närvilõpmes põhjustab neurotransmitteri vabanemise eksotsütoosi teel. Selle peamine substraat on valk nn sünapsiin I esineb närvilõpmetes ja on seotud sünaptiliste vesiikulite välispinnaga. Kui sünapsiin I on seotud vesiikulitega, takistab see eksotsütoosi. Sünapsiin I fosforüülimine põhjustab selle eraldumise vesiikulitest, võimaldades neil eksotsütoosi teel vabastada neurotransmitteri sünaptilisse pilusse.

Mängib müosiini kerge ahela kinaas oluline roll silelihaste kontraktsioonide reguleerimisel. Ca 2+ tsütosoolse kontsentratsiooni suurenemine silelihasrakkudes aktiveerib müosiini kerge ahela kinaasi. Müosiini reguleerivate kergete ahelate fosforüülimine põhjustab silelihasrakkude pikaajalist kontraktsiooni.

Riis. 2-12. Kalmoduliin.

A - kalmoduliin ilma kaltsiumita. B - kaltsiumi seondumine kalmoduliini ja peptiidi sihtmärgiga. B - sidumisskeem.

Nimetused: EF - kalmoduliini Ca 2+ -siduvad domeenid

Ensümaatilise aktiivsusega retseptorid (katalüütilised retseptorid)

Hormoonid ja kasvufaktorid seonduvad rakupinna valkudega, millel on membraani tsütoplasmaatilisel küljel ensümaatiline aktiivsus. Joonis 2-13 näitab viit katalüütiliste retseptorite klassi.

Üks transmembraani iseloomulikke näiteid guanülaattsüklaasi aktiivsusega retseptorid, kodade natriureetilise peptiidi (ANP) retseptor. Membraaniretseptor, millega ANP seondub, ei sõltu vaadeldavatest signaaliülekandesüsteemidest. Eespool kirjeldati ekstratsellulaarsete agonistide toimet, mis membraaniretseptoritega seondudes kas aktiveerivad adenülaattsüklaasi G s valkude kaudu või inhibeerivad seda G i kaudu. ANP membraaniretseptorid pakuvad huvi, kuna retseptoritel endil on guanülaattsüklaasi aktiivsus, mida stimuleerib ANP seondumine retseptoriga.

ANP retseptoritel on ekstratsellulaarne ANP-d siduv domeen, üks transmembraanne spiraal ja rakusisene guanülaattsüklaasi domeen. ANP seondumine retseptoriga suurendab cGMP intratsellulaarset taset, mis stimuleerib cGMP-sõltuvat proteiinkinaasi. Erinevalt cAMP-sõltuvast proteiinkinaasist, millel on regulatoorsed ja katalüütilised alaühikud, paiknevad cGMP-sõltuva proteiinkinaasi regulatoorsed ja katalüütilised domeenid samas polüpeptiidahelas. Seejärel fosforüülib cGMP-sõltuv kinaas rakusiseseid valke, mis põhjustab erinevaid rakulisi reaktsioone.

Seriin-treoniini kinaasi aktiivsusega retseptorid fosforüleerida valke ainult seriini ja/või treoniini jääkide juures.

Teine membraaniretseptorite perekond, mis ei ole seotud G-valkudega, koosneb valkudest, millel on oma türosiin-proteiinkinaasi aktiivsus. Retseptorid oma türosiin-proteiinkinaasi aktiivsusega on glükosüülitud ekstratsellulaarse domeeniga valgud, ainsad

transmembraanne piirkond ja intratsellulaarne domeen türosiin-proteiinkinaasi aktiivsusega. Näiteks agonisti sidumine nendega närvi kasvufaktor (NGF), stimuleerib türosiin-proteiinkinaasi aktiivsust, mis fosforüülib teatud türosiinijääkide juures spetsiifilisi efektorvalke. Enamik kasvufaktori retseptoreid dimeriseerub, kui NGF nendega seondub. See on retseptori dimerisatsioon, mis põhjustab türosiinproteiinkinaasi aktiivsuse ilmnemist selles. Aktiveeritud retseptorid fosforüülivad end sageli, mida nimetatakse autofosforüülimiseks.

Superperekonda peptiidi retseptorid nimetatakse insuliini retseptoriteks. See on ka türosiin proteiinkinaas. Insuliiniretseptorite perekonda kuuluvas retseptorite alamklassis eksisteerib mitteligandi retseptor disulfiidseotud dimeerina. Koostoime insuliiniga põhjustab mõlema monomeeri konformatsioonilisi muutusi, mis suurendab insuliini seondumist, aktiveerib retseptori türosiinkinaasi ja suurendab retseptori autofosforüülimist.

Hormooni või kasvufaktori seondumine selle retseptoriga käivitab mitmesuguseid rakulisi reaktsioone, sealhulgas Ca 2+ sisenemist tsütoplasmasse, suurenenud Na + /H + metabolismi, aminohapete ja suhkru omastamise stimuleerimist, fosfolipaasi C β stimuleerimist ja hüdrolüüsi. fosfatidüülinositooldifosfaadist.

Retseptorid kasvuhormoon, prolaktiin ja erütropoetiin, samuti retseptorid interferoon ja paljud tsütokiinid ei toimi otseselt proteiinkinaasidena. Kuid pärast aktiveerimist moodustavad need retseptorid rakusiseste türosiinproteiinkinaasidega signaalikomplekse, mis käivitavad nende rakusisese toime. Seetõttu pole need tõelised retseptorid, millel on oma türosiin-proteiinkinaasi aktiivsus, vaid lihtsalt seostuvad nendega.

Struktuuri põhjal võib oletada, et transmembraanne türosiin-valgu fosfataas on samuti retseptorid ja nende türosiin-valgu fosfataasi aktiivsust moduleerivad ekstratsellulaarsed ligandid.

Riis. 2-13. katalüütilised retseptorid.

A - guanüültsüklaasi retseptor, B - seriin-treoniini kinaasi aktiivsusega retseptor, C - oma türosiin-proteiinkinaasi aktiivsusega retseptor, D - türosiin-proteiinkinaasi aktiivsusega seotud retseptor

Retseptoriga seotud türosiin-valgu kinaasid interferooni retseptorite näitel

Interferooni retseptorid ei ole otseselt proteiinkinaasid. Aktiveerimisel moodustavad need retseptorid rakusiseste türosiini proteiinkinaasidega signaalikomplekse, mis käivitavad nende rakusisese toime. See tähendab, et nad ei ole tõelised retseptorid, millel on oma türosiin-proteiinkinaasi aktiivsus, vaid lihtsalt seostuvad nendega.Selliseid retseptoreid nimetatakse nn. retseptoriga seotud (retseptorist sõltuvad) türosiini proteiinkinaasid.

Nende retseptorite toimemehhanismid käivituvad siis, kui hormoon seondub retseptoriga, põhjustades selle dimeriseerumist. Retseptori dimeer seob ühte või mitut liiget Jaanus-türosiini proteiinkinaaside perekond (JAK). JAK siis risti

fosforüülivad üksteist, aga ka retseptorit. Signaalimuunduri ja transkriptsiooni aktivaatori (STAT) perekonna liikmed seovad retseptori-JAK kompleksi fosforüülitud domeene. STAT-valgud fosforüülivad JAK kinaasid ja eraldatakse seejärel signaalikompleksist. Lõppkokkuvõttes moodustavad fosforüülitud STAT-valgud dimeere, mis liiguvad tuuma poole, et aktiveerida teatud geenide transkriptsioon.

Iga hormooni retseptori spetsiifilisus sõltub osaliselt JAK- või STAT-perekonna liikmete spetsiifilisusest, mis ühinevad signaalikompleksi moodustamiseks. Mõnel juhul aktiveerib signaalikompleks ka MAP (mitogeeni aktiveeriva valgu) kinaasi kaskaadi retseptor-türosiinkinaaside poolt kasutatavate adaptervalkude kaudu. Mõned retseptori türosiinkinaasi ligandi vastused hõlmavad ka JAK ja STAT radasid.

Riis. 2-14. Türosiin-proteiinkinaasi aktiivsusega seotud katalüütiliste retseptorite näide. α-ga aktiveeritud retseptor -interferoon (A) jaγ - interferoon (B)

Ras-sarnased monomeersed G-valgud ja nende vahendatud transduktsioonirajad

Ligand, näiteks kasvufaktor, seondub retseptoriga, millel on oma türosiinproteiinkinaasi aktiivsus, mille tulemuseks on transkriptsiooni suurenemine 10-etapilise protsessi käigus. Ras-sarnased monomeersed GTP-d siduvad valgud osalevad signaaliülekande rajal signaali edastamise staadiumis oma türosiin-proteiinkinaasi aktiivsusega retseptoritelt (näiteks kasvufaktori retseptorid) intratsellulaarsetele efektoritele. Monomeersete GTP-d siduvate valkude aktiveerimine ja inaktiveerimine nõuab täiendavaid regulaatorvalke. Monomeerseid G-valke aktiveerivad guaniini nukleotiidi vabastavad valgud (GNRP) ja inaktiveerivad GTPaasi aktiveerivad valgud (GAP).

Ras perekonna monomeersed GTP-d siduvad valgud vahendavad mitogeensete ligandide ja nende türosiin-proteiinkinaasi retseptorite seondumist, mis käivitab rakusisesed protsessid, mis viivad rakkude proliferatsioonini. Kui Ras-valgud on inaktiivsed, ei reageeri rakud kasvufaktoritele, mis toimivad türosiinkinaasi retseptorite kaudu.

Ras-i aktiveerimine käivitab signaali ülekanderaja, mis lõpuks viib teatud rakkude kasvu soodustavate geenide transkriptsioonini. MAP kinaasi (MAPK) kaskaad osaleb reaktsioonides, kui Ras on aktiveeritud. Proteiini kinaas C aktiveerib ka MAP kinaasi kaskaadi. Seega näib MAP kinaasi kaskaad olevat oluline lähenemispunkt mitmesuguste rakkude proliferatsiooni indutseerivate mõjude jaoks. Lisaks on proteiinkinaas C ja türosiinkinaaside vahel ristumine. Näiteks aktiveeritakse fosfolipaasi C y isovorm, seondudes aktiveeritud Ras-valguga. See aktiveerimine kantakse fosfolipiidide hüdrolüüsi stimuleerimise käigus üle proteiinkinaasile C.

Joonisel 2-15 on kujutatud 10 astmega mehhanismi.

1. Ligandi seondumine viib retseptori dimeriseerumiseni.

2. Aktiveeritud türosiini proteiinkinaas (RTK) fosforüleerib ennast.

3.GRB 2 (kasvufaktori retseptoriga seotud proteiin-2), SH 2 sisaldav valk, tunneb ära fosfotürosiini jäägid aktiveeritud retseptoril.

4.GRB 2 sidumine sisaldab SOS-i (seitsme lapse poeg) vahetada valgu guaniini nukleotiidi.

5.SOS aktiveerib Rasi, moodustades Rasil GDP asemel GTP.

6. Ras-GTP aktiivne kompleks aktiveerib teisi valke, liites need füüsiliselt plasmamembraani. Ras-GTP aktiivne kompleks interakteerub Raf-1 seriin-treoniini kinaasi (tuntud kui mitogeeni aktiveeriv valk, MAP) N-terminaalse osaga, mis on esimene aktiveeritud proteiinkinaaside seeriast, mis edastab aktiveerimissignaali raku tuum.

7. Raf-1 fosforüülib ja aktiveerib proteiinkinaasi nimega MEK, mida tuntakse kui MAP kinaasi kinaasi (MAPKK). MEK on multifunktsionaalne proteiinkinaas, mis fosforüülib türosiini ja seriini/treoniini jääkide substraate.

8.MEK fosforüleerib MAP kinaasi (MAPK), mis on samuti põhjustatud rakuvälise signaali - regulaatorkinaasi (ERK 1 , ERK 2) toimel. MAPK aktiveerimine nõuab kahekordset fosforüülimist külgnevates seriini- ja türosiinijääkides.

9. MAPK toimib kriitilise efektormolekulina Ras-sõltuval signaaliülekandel, kuna see fosforüülib pärast mitogeenset stimulatsiooni paljusid rakuvalke.

10. Aktiveeritud MAPK kantakse üle tuuma, kus see fosforüülib transkriptsioonifaktori. Üldiselt aktiveerib aktiveeritud Ras MAP-i

sellele linkides. Selle kaskaadi tulemuseks on MAP kinaasi fosforüülimine ja aktiveerimine, mis omakorda fosforüülib transkriptsioonifaktoreid, valgu substraate ja teisi proteiinkinaase, mis on olulised rakkude jagunemiseks ja muudeks reaktsioonideks. Ras-i aktiveerimine sõltub adaptervalkudest, mis seonduvad kasvufaktori poolt aktiveeritud retseptorite fosfotürosiini domeenidega. Need adaptervalgud kinnituvad ja aktiveerivad GNRF-i (guaniini nukleotiidivahetusvalk), mis aktiveerib Ras.

Riis. 2-15. Transkriptsiooni reguleerimine Ras-sarnaste monomeersete G-valkude poolt, mis käivitatakse retseptorist, millel on oma türosiin-proteiinkinaasi aktiivsus

Transkriptsiooni reguleerimine cAMP-sõltuva DNA elementiga interakteeruva valgu (CREB) poolt

CREB, laialt levinud transkriptsioonifaktor, on tavaliselt seotud DNA piirkonnaga, mida nimetatakse CRE-ks (cAMP vastuse element). Stimulatsiooni puudumisel on CREB defosforüülitud ega mõjuta transkriptsiooni. Arvukad signaaliülekande teed kinaaside aktiveerimise kaudu (nagu PKA, Ca2+/kalmoduliinkinaas IV, MAP kinaas) põhjustavad CREB fosforüülimise. Fosforüülitud CREB seob CBP(CREB-siduv valk- CREB-siduv valk), millel on transkriptsiooni stimuleeriv domeen. Paralleelselt aktiveerib fosforüülimine PP1

(fosfoproteiini fosfataas 1), mis defosforüleerib CREB-i, mille tulemuseks on transkriptsiooni seiskumine.

On näidatud, et CREB-vahendatud mehhanismi aktiveerimine on oluline selliste kõrgemate kognitiivsete funktsioonide nagu õppimine ja mälu rakendamiseks.

Joonisel 2-15 on näidatud ka cAMP-sõltuva PKA struktuur, mis cAMP puudumisel koosneb neljast subühikust: kahest reguleerivast ja kahest katalüütilisest subühikust. Reguleerivate subühikute olemasolu pärsib kompleksi ensümaatilist aktiivsust. cAMP seondumine kutsub esile konformatsioonilise muutuse regulatoorsetes allüksustes, mille tulemuseks on regulatoorsete alaühikute eraldamine katalüütilistest. Katalüütiline PKA siseneb raku tuuma ja alustab ülaltoodud protsessi.

Riis. 2-16. Geeni transkriptsiooni reguleerimine CREB abil (cAMP vastuseelementi siduv valk) tsüklilise adenosiinmonofosfaadi taseme tõusu kaudu

Lühike kirjeldus:

Biokeemia ja molekulaarbioloogia õppematerjal: Bioloogiliste membraanide ehitus ja funktsioonid.

MOODUL 4: BIOLOOGILISTE MEMBRAANI STRUKTUUR JA FUNKTSIOONID

_Teemad _

4.1. Membraanide üldised omadused. Membraanide struktuur ja koostis

4.2. Ainete transport läbi membraanide

4.3. Transmembraanne signaalimine _

Õppeeesmärgid Et oleks võimalik:

1. Tõlgendada membraanide rolli ainevahetuse reguleerimisel, ainete transportimisel rakku ja metaboliitide eemaldamisel.

2. Selgitage molekulaarsed mehhanismid hormoonide ja teiste signaalmolekulide toime sihtorganitele.

Tea:

1. Bioloogiliste membraanide ehitus ja roll ainevahetuses ja energias.

2. Peamised viisid ainete ülekandmiseks läbi membraanide.

3. Hormoonide, vahendajate, tsütokiinide, eikosanoidide transmembraanse signaaliülekande põhikomponendid ja etapid.

TEEMA 4.1. MEMBRAANI ÜLDOMADUSED.

MEMBRAANIDE STRUKTUUR JA KOOSTIS

Kõik rakud ja rakusisesed organellid on ümbritsetud membraanidega, mis mängivad olulist rolli nende struktuurilises organiseerimises ja toimimises. Kõigi membraanide ehitamise põhiprintsiibid on samad. Plasmamembraanil, aga ka endoplasmaatilise retikulumi membraanidel, Golgi aparaadil, mitokondritel ja tuumal on aga olulised struktuursed tunnused, need on ainulaadsed oma koostise ja funktsioonide olemuse poolest.

Membraan:

Eraldage rakud keskkonnast ja jagage see sektsioonideks (osakondadeks);

Reguleerida ainete transporti rakkudesse ja organellidesse ja vastupidi;

Pakkuda rakkudevaheliste kontaktide spetsiifilisust;

Nad saavad signaale keskkonnast.

Membraanisüsteemide, sealhulgas retseptorite, ensüümide, transpordisüsteemid, aitab säilitada rakkude homöostaasi ja kiiresti reageerida muutustele väliskeskkonna seisundis, reguleerides rakkude sees ainevahetust.

Bioloogilised membraanid koosnevad lipiididest ja valkudest, mis on omavahel seotud mittekovalentne interaktsioonid. Membraani alus on kahekordne lipiidikiht mis sisaldab valgu molekule (joon. 4.1). Lipiidide kaksikkiht koosneb kahest reast amfifiilsed molekulid, mille hüdrofoobsed "sabad" on peidetud sees, ja hüdrofiilsed rühmad - polaarsed "pead" on pööratud väljapoole ja puutuvad kokku vesikeskkonnaga.

1. Membraani lipiidid. Membraanlipiidid sisaldavad nii küllastunud kui ka küllastumata rasvhappeid. Küllastumata rasvhapped on kaks korda tavalisemad kui küllastunud rasvhapped, mis määrab voolavus membraanid ja membraanivalkude konformatsiooniline labiilsus.

Membraanides on kolm peamist tüüpi lipiide – fosfolipiidid, glükolipiidid ja kolesterool (joonis 4.2 – 4.4). Kõige sagedamini leitud Glütserofosfolipiidid on fosfatiidhappe derivaadid.

Riis. 4.1. Plasmamembraani ristlõige

Riis. 4.2. Glütserofosfolipiidid.

Fosfatiidhape on diatsüülglütseroolfosfaat. R 1 , R 2 - rasvhapperadikaalid (hüdrofoobsed "sabad"). Polüküllastumata rasvhappejääk on seotud glütserooli teise süsinikuaatomiga. Polaarne "pea" on fosforhappe jääk ja selle külge kinnitatud hüdrofiilne seriini, koliini, etanoolamiini või inositooli rühm

Samuti on lipiidid – derivaadid aminoalkohol sfingosiin.

Aminoalkohol sfingosiin atsüülimisel, st. sidudes rasvhappe NH 2 rühmaga, muutub keramiidiks. Keramiide ​​eristab nende rasvhappejääk. Keramiidi OH-rühmaga võib seostada erinevaid polaarseid rühmi. Sõltuvalt polaarse "pea" struktuurist jagatakse need derivaadid kahte rühma - fosfolipiidid ja glükolipiidid. Sfingofosfolipiidide (sfingomüeliinide) polaarse rühma struktuur on sarnane glütserofosfolipiididega. Müeliinkestades leidub palju sfingomüeliine. närvikiud. Glükolipiidid on keramiidi süsivesikute derivaadid. Sõltuvalt süsivesikute komponendi struktuurist eristatakse tserebrosiide ja gangliosiide.

kolesterooli leidub kõigi loomarakkude membraanides, see jäigastab membraane ja vähendab neid voolavus(voolavus). Kolesterooli molekul asub membraani hüdrofoobses tsoonis paralleelselt fosfo- ja glükolipiidimolekulide hüdrofoobsete "sabadega". Kolesterooli hüdroksüülrühm, samuti fosfo- ja glükolipiidide hüdrofiilsed "pead",

Riis. 4.3. Aminoalkoholi sfingosiini derivaadid.

Keramiid – atsüülitud sfingosiin (R 1 – rasvhapperadikaal). Fosfolipiidide hulka kuuluvad sfingomüeliinid, milles polaarne rühm koosneb fosforhappejäägist ja koliinist, etanoolamiinist või seriinist. Glükolipiidide hüdrofiilne rühm (polaarne "pea") on süsivesikute jääk. Tserebrosiidid sisaldavad lineaarset mono- või oligosahhariidi jääki. Gangliosiidide koostis sisaldab hargnenud oligosahhariidi, mille üks monomeerseid ühikuid on NANK - N-atsetüülneuramiinhape

näoga veefaasi poole. Kolesterooli ja teiste lipiidide molaarsuhe membraanides on 0,3-0,9. Sellel väärtusel on tsütoplasmaatilise membraani jaoks kõrgeim väärtus.

Kolesterooli sisalduse suurenemine membraanides vähendab rasvhappeahelate liikuvust, mis mõjutab membraanivalkude konformatsioonilist labiilsust ja vähendab nende tekkevõimalust. külgmine difusioon. Membraanide voolavuse suurenemisega, mis on põhjustatud lipofiilsete ainete toimest neile või lipiidide peroksüdatsioonist, suureneb kolesterooli osakaal membraanides.

Riis. 4.4. Asukoht fosfolipiidide ja kolesterooli membraanis.

Kolesterooli molekul koosneb jäigast hüdrofoobsest tuumast ja painduvast süsivesinikahelast. Polaarne "pea" on OH-rühm kolesterooli molekuli 3. süsinikuaatomi juures. Võrdluseks on joonisel membraani fosfolipiidi skemaatiline esitus. Nende molekulide polaarpea on palju suurem ja sellel on laeng

Membraanide lipiidide koostis on erinev, ühe või teise lipiidi sisalduse määravad ilmselt mitmesugused funktsioonid, mida need molekulid membraanides täidavad.

Membraanlipiidide peamised funktsioonid on järgmised:

Nad moodustavad lipiidide kaksikkihi - membraanide struktuurse aluse;

Tagage membraanivalkude toimimiseks vajalik keskkond;

Osaleda ensüümi aktiivsuse reguleerimises;

Toimib pinnavalkude "ankruna";

Osalege hormonaalsete signaalide edastamises.

Muutused lipiidide kaksikkihi struktuuris võivad põhjustada membraani funktsioonide häireid.

2. Membraanvalgud. Membraanvalgud erinevad oma asukoha poolest membraanis (joon. 4.5). Lipiidide kaksikkihi hüdrofoobse piirkonnaga kontaktis olevad membraanivalgud peavad olema amfifiilsed, st. neil on mittepolaarne domeen. Amfifiilsus saavutatakse tänu sellele, et:

Lipiidide kaksikkihiga kokkupuutuvad aminohappejäägid on enamasti mittepolaarsed;

Paljud membraanivalgud on kovalentselt seotud rasvhappejääkidega (atsüülitud).

Valgu külge kinnitatud rasvhapete atsüüljäägid tagavad selle "ankurdumise" membraanis ja külgmise difusiooni võimaluse. Lisaks läbivad membraanivalgud translatsioonijärgseid modifikatsioone, nagu glükosüülimine ja fosforüülimine. Glükosüülimine välispind integraalsed valgud kaitsevad neid rakkudevahelise ruumi proteaaside kahjustuste eest.

Riis. 4.5. Membraanvalgud:

1, 2 - integraalsed (transmembraansed) valgud; 3, 4, 5, 6 - pinnavalgud. Integraalsetes valkudes on osa polüpeptiidahelast põimitud lipiidikihti. Need valgu osad, mis interakteeruvad rasvhapete süsivesinike ahelatega, sisaldavad valdavalt mittepolaarseid aminohappeid. Polaarsete "peade" piirkonnas asuvad valgu piirkonnad on rikastatud hüdrofiilsete aminohappejääkidega. Pinnavalgud kinnituvad membraanile erineval viisil: 3 - seotud integraalsete valkudega; 4 - kinnitatud lipiidikihi polaarsete "peade" külge; 5 - "ankurdatud" membraanis lühikese hüdrofoobse terminaalse domeeniga; 6 - "ankurdatud" membraani kasutades kovalentselt seotud atsüüljääki

Sama membraani välimine ja sisemine kiht erinevad lipiidide ja valkude koostise poolest. Seda funktsiooni membraanide struktuuris nimetatakse transmembraanne asümmeetria.

Membraanvalgud võivad olla seotud:

Ainete selektiivne transport rakku ja sealt välja;

Hormonaalsete signaalide edastamine;

Endotsütoosi ja eksotsütoosiga seotud "piiratud süvendite" moodustumine;

immunoloogilised reaktsioonid;

Ensüümidena ainete muundumisel;

Rakkudevaheliste kontaktide organiseerimine, mis tagab kudede ja elundite moodustumise.

TEEMA 4.2. AINETE TRANSPORT LÄBI MEMBRAANI

Membraanide üks põhifunktsioone on ainete rakku sisenemise ja rakust väljumise reguleerimine, rakule vajalike ainete kinnipidamine ja ebavajalike eemaldamine. Ioonide, orgaaniliste molekulide transport läbi membraanide võib toimuda mööda kontsentratsioonigradienti - passiivne transport ja kontsentratsiooni gradiendi vastu - aktiivne transport.

1. Passiivne transport saab läbi viia järgmistel viisidel (joonis 4.6, 4.7):

Riis. 4.6. Ainete ülekandumise mehhanismid läbi membraanide piki kontsentratsioonigradienti

Passiivne transport on ioonide difusioon läbi valgukanalite, näiteks H+, Ca 2+, N+, K+ difusioon. Enamiku kanalite toimimist reguleerivad spetsiifilised ligandid või transmembraanse potentsiaali muutused.

Riis. 4.7. Endoplasmaatilise retikulumi membraani Ca2+ kanal, mida reguleerib inositool-1,4,5-trifosfaat (IF 3).

IP 3 (inositool-1,4,5-trifosfaat) moodustub membraani lipiidi PIF 2 (fosfatidüülinositool-4,5-bisfosfaat) hüdrolüüsil ensüümi fosfolipaas C toimel. IP 3 seondub membraani spetsiifiliste keskustega. Endoplasmaatilise retikulumi membraanikanali Ca 2 + protomeerid. Valgu konformatsioon muutub ja kanal avaneb - Ca 2 + siseneb raku tsütosooli piki kontsentratsiooni gradienti

2. Aktiivne transport. esmane aktiivne transport toimub kontsentratsioonigradienti vastu ATP energia kulutamisel transpordi-ATPaaside osalusel, näiteks Na +, K + -ATPaas, H + -ATPaas, Ca 2 + -ATPaas (joon. 4.8). H + -ATPaasi funktsioon as prootonpumbad, mis loob raku lüsosoomides happelise keskkonna. Tsütoplasmaatilise membraani ja endoplasmaatilise retikulumi membraani Ca 2+ -ATPaasi abil hoitakse madalat kaltsiumi kontsentratsiooni raku tsütosoolis ning luuakse rakusisene Ca 2+ depoo mitokondrites ja endoplasmaatilises. võrkkest.

sekundaarne aktiivne transport toimub ühe transporditava aine (joonis 4.9) kontsentratsioonigradiendi tõttu, mille tekitab kõige sagedamini Na +, K + -ATPaas, mis toimib koos ATP tarbimisega.

Kõrgema kontsentratsiooniga aine kinnitumine kandevalgu aktiivtsentrile muudab selle konformatsiooni ja suurendab afiinsust rakku läbiva ühendi suhtes kontsentratsioonigradiendi suhtes. Sekundaarset aktiivset transporti on kahte tüüpi: aktiivne sümptom ja antiport.

Riis. 4.8. Ca 2 + -ATPaasi toimimise mehhanism

Riis. 4.9. sekundaarne aktiivne transport

3. Makromolekulide ja osakeste ülekanne membraanide osalusel - endotsütoos ja eksotsütoos.

Makromolekulide, näiteks valkude, nukleiinhapete, polüsahhariidide või isegi suuremate osakeste ülekandumine rakuvälisest keskkonnast rakku toimub endotsütoos. Ainete või kõrgmolekulaarsete komplekside sidumine toimub plasmamembraani teatud piirkondades, mida nimetatakse vooderdatud süvendid. Endotsütoos, mis toimub ääristatud aukudesse ehitatud retseptorite osalusel, võimaldab rakkudel absorbeerida spetsiifilisi aineid ja seda nimetatakse retseptorist sõltuv endotsütoos.

Makromolekulid, nagu peptiidhormoonid, seedeensüümid, ekstratsellulaarsed maatriksvalgud, lipoproteiinikompleksid, erituvad verre või rakkudevahelisse ruumi eksotsütoos. See transpordiviis võimaldab eemaldada rakust sekretoorsetes graanulites kogunevaid aineid. Enamikul juhtudel reguleeritakse eksotsütoosi kaltsiumiioonide kontsentratsiooni muutmisega rakkude tsütoplasmas.

TEEMA 4.3. TRANSMEMBRAANNE SIGNAALID

Membraanide oluline omadus on võime tajuda ja edastada rakusisese keskkonna signaale. Rakud tajuvad väliseid signaale, kui nad interakteeruvad sihtrakkude membraanis asuvate retseptoritega. Retseptorid, ühendades signaalmolekuli, aktiveerivad rakusiseseid infoülekandeteid, mis viib erinevate metaboolsete protsesside kiiruse muutumiseni.

1. Signaalimolekul, mis interakteerub spetsiifiliselt membraaniretseptoriga esmane sõnumitooja. Primaarsete sõnumikandjatena toimivad erinevad keemilised ühendid – hormoonid, neurotransmitterid, eikosanoidid, kasvufaktorid või füüsikalised tegurid, nagu valguskvant. Primaarsete sõnumitoojate poolt aktiveeritud rakumembraani retseptorid edastavad saadud teabe valkude ja ensüümide süsteemi, mis moodustab signaali edastamise kaskaad, signaali võimenduse mitusada korda. Raku reaktsiooniaeg, mis seisneb ainevahetusprotsesside aktiveerimises või inaktiveerimises, lihaskontraktsioonis, ainete transportimises sihtrakkudest, võib olla mitu minutit.

Membraan retseptorid jagatud:

Retseptorid, mis sisaldavad subühikut, mis seob esmase sõnumitooja ja ioonikanali;

Retseptorid, mis on võimelised avaldama katalüütilist aktiivsust;

Retseptorid, mis G-valkude abil aktiveerivad sekundaarsete (rakusiseste) sõnumitoojate moodustumist, mis edastavad signaali tsütosooli spetsiifilistele valkudele ja ensüümidele (joonis 4.10).

Teised sõnumitoojad on väikese molekulmassiga, koos suur kiirus difundeeruvad raku tsütosoolis, muudavad vastavate valkude aktiivsust ja seejärel kiiresti jagunevad või eemaldatakse tsütosoolist.

Riis. 4.10. Membraanis asuvad retseptorid.

Membraani retseptorid võib jagada kolme rühma. Retseptorid: 1 - sisaldavad subühikut, mis seob signaalmolekuli ja ioonikanalit, näiteks atsetüülkoliini retseptorit postsünaptilisel membraanil; 2 - katalüütiline aktiivsus pärast signaalmolekuli, näiteks insuliiniretseptori lisamist; 3, 4 - signaali edastamine ensüümile adenülaattsüklaas (AC) või fosfolipaas C (PLS) membraani G-valkude, näiteks erinevat tüüpi adrenaliini, atsetüülkoliini ja muude signaalimolekulide retseptorite osalusel.

Roll sekundaarsed sõnumitoojad teostada molekule ja ioone:

CAMP (tsükliline adenosiin-3",5"-monofosfaat);

CGMP (tsükliline guanosiin-3",5"-monofosfaat);

IP 3 (inositool-1,4,5-trifosfaat);

DAG (diatsüülglütserool);

Seal on hormoonid (steroid ja kilpnääre), mis läbides lipiidide kaksikkihti, lahtrisse siseneda ja suhelda rakusisesed retseptorid. Füsioloogiliselt oluline erinevus membraani ja intratsellulaarsete retseptorite vahel on vastuse kiirus sissetulevale signaalile. Esimesel juhul on mõju kiire ja lühiajaline, teisel - aeglane, kuid kauakestev.

G-valguga seotud retseptorid

Hormoonide interaktsioon G-valguga seotud retseptoritega põhjustab inositoolfosfaadi signaaliülekandesüsteemi aktiveerumist või muutusi adenülaattsüklaasi regulatsioonisüsteemi aktiivsuses.

2. Adenülaattsüklaasi süsteem sisaldab (joonis 4.11):

- lahutamatu tsütoplasma membraani valgud:

Rs - primaarse messengeri retseptor - adenülaattsüklaasi süsteemi (ACS) aktivaator;

R; - primaarse sõnumikandja retseptor - ACS-i inhibiitor;

Ensüüm adenülaattsüklaas (AC).

- "ankurdatud" valgud:

G s - GTP-d siduv valk, mis koosneb α,βγ-subühikutest, milles (α,-subühik on seotud GDP molekuliga;

Riis. 4.11. Adenülaattsüklaasi süsteemi toimimine

G; - GTP-d siduv valk, mis koosneb αβγ-subühikutest, milles a; -subühik on seotud SKT molekuliga; - tsütosoolne proteiinkinaas A (PKA) ensüüm.

Adenülaattsüklaasi süsteemi primaarse messenger-signaali ülekande sündmuste jada

Retseptoril on membraani välispinnal primaarse messengeri ja G-valgu (α,βγ-GDP) seondumiskohad membraani sisepinnal. Adenülaattsüklaasi süsteemi aktivaatori, näiteks hormooni koostoime retseptoriga (Rs) viib retseptori konformatsiooni muutumiseni. Retseptori afiinsus G..-valgu suhtes suureneb. Hormoon-retseptori kompleksi sidumine GS-GDP-ga vähendab G..-valgu α,-subühiku afiinsust GDP suhtes ja suurendab afiinsust GTP suhtes. α,-subühiku aktiivses kohas asendatakse GDP GTP-ga. See põhjustab muutusi α-subühiku konformatsioonis ja selle afiinsuse vähenemist βγ-subühikute suhtes. Eraldunud subühik α,-GTP liigub membraani lipiidkihis külgsuunas ensüümi poole. adenülaattsüklaas.

α,-GTP interaktsioon adenülaattsüklaasi regulatoorse tsentriga muudab ensüümi konformatsiooni, viib selle aktiveerimiseni ja teise sõnumitooja - tsüklilise adenosiin-3,5'-monofosfaadi (cAMP) moodustumise kiiruse suurenemiseni. ATP-st. cAMP kontsentratsioon rakus suureneb. cAMP molekulid võivad pöörduvalt seonduda proteiinkinaasi A (PKA) regulatoorsete alaühikutega, mis koosneb kahest regulatoorsest (R) ja kahest katalüütilisest (C) subühikust – (R 2 C 2). Kompleks R2C2 ei oma ensümaatilist aktiivsust. cAMP-i kinnitamine regulatoorsete allüksustega põhjustab muutusi nende konformatsioonis ja komplementaarsuse kadumise C-subühikutega. Katalüütilised subühikud omandavad ensümaatilise aktiivsuse.

Aktiivne proteiinkinaas A fosforüülib ATP abil spetsiifilisi valke seriini ja treoniini jääkide juures. Valkude ja ensüümide fosforüülimine suurendab või vähendab nende aktiivsust, mistõttu muutub nende osalemise metaboolsete protsesside kiirus.

R-retseptori signaalmolekuli aktiveerimine stimuleerib Gj-valgu talitlust, mis toimub samade reeglite järgi nagu G..-valgu puhul. Kuid kui αi-GTP subühik interakteerub adenülaattsüklaasiga, väheneb ensüümi aktiivsus.

Adenülaattsüklaasi ja proteiinkinaasi A inaktiveerimine

α,-subühik kompleksis GTP-ga hakkab adenülaattsüklaasiga interakteerudes avaldama ensümaatilist (GTP-fosfataasi) aktiivsust, hüdrolüüsib GTP-d. Saadud GDP molekul jääb α-subühiku aktiivsesse keskusesse, muudab selle konformatsiooni ja vähendab selle afiinsust vahelduvvoolu suhtes. AC ja α,-GDP kompleks dissotsieerub, α,-GDP sisaldub G..-valgus. α,-GDP eraldamine adenülaattsüklaasist inaktiveerib ensüümi ja peatab cAMP sünteesi.

Fosfodiesteraas- tsütoplasmaatilise membraani "ankurdatud" ensüüm hüdrolüüsib eelnevalt moodustunud cAMP molekulid AMP-ks. cAMP kontsentratsiooni vähenemine rakus põhjustab cAMP 4 K " 2 kompleksi lõhustumist ja suurendab R- ja C-subühikute afiinsust ning moodustub PKA inaktiivne vorm.

Fosforüülitud ensüümid ja valgud fosfoproteiini fosfataas lähevad defosforüülitud vormi, muutub nende konformatsioon, aktiivsus ja protsesside kiirus, milles need ensüümid osalevad. Selle tulemusena naaseb süsteem algsesse olekusse ja on hormooni retseptoriga interaktsiooni korral uuesti aktiveerimiseks valmis. Seega on tagatud hormoonisisalduse vastavus veres ja sihtrakkude vastuse intensiivsus.

3. Adenülaattsüklaasi süsteemi osalemine geeniekspressiooni reguleerimises. Paljud valkhormoonid: glükagoon, vasopressiin, paratüreoidhormoon jne, mis edastavad oma signaali läbi adenülaattsüklaasi süsteemi, ei saa mitte ainult põhjustada reaktsioonide kiiruse muutust rakus juba olemasolevate ensüümide fosforüülimise teel, vaid ka suurendada või vähendada. nende arvu, reguleerides geeniekspressiooni (joonis 4.12). Aktiivne proteiinkinaas A võib siseneda tuuma ja fosforüülida transkriptsioonifaktorit (CREB). Fosfori liitumine

Riis. 4.12. Adenülaattsüklaasi rada, mis viib spetsiifiliste geenide ekspressioonini

Jääk suurendab transkriptsioonifaktori (CREB-(P) afiinsust DNA-CRE regulatoorse tsooni spetsiifilise järjestuse suhtes (cAMP-response element) ja stimuleerib teatud valgugeenide ekspressiooni.

Sünteesitud valgud võivad olla ensüümid, mille koguse suurenemine suurendab ainevahetusprotsesside reaktsioonide kiirust, või membraanikandjad, mis tagavad teatud ioonide, vee või muude ainete rakku sisenemise või väljumise.

Riis. 4.13. Inositoolfosfaadi süsteem

Süsteemi töö tagavad valgud: kalmoduliin, ensüüm proteiinkinaas C, Ca 2 + -kalmoduliinist sõltuvad proteiinkinaasid, endoplasmaatilise retikulumi membraani reguleeritud Ca 2 + kanalid, raku ja mitokondriaalsete membraanide Ca 2 + -ATPaas.

Inositoolfosfaadi süsteemi primaarse messenger-signaali ülekande sündmuste jada

Inositoolfosfaatsüsteemi aktivaatori seondumine retseptoriga (R) viib selle konformatsiooni muutumiseni. Retseptori afiinsus Gf ls valgu suhtes suureneb. Primaarse messenger-retseptori kompleksi sidumine Gf ls-GDP-ga vähendab af ls-subühiku afiinsust SKT suhtes ja suurendab afiinsust GTP suhtes. Aktiivses kohas asendatakse SKT af ls allüksus GTP-ga. See põhjustab muutuse af ls subühiku konformatsioonis ja afiinsuse vähenemist βγ subühikute suhtes ning toimub Gf ls valgu dissotsiatsioon. Eraldunud subühik af ls-GTP liigub külgsuunas üle membraani ensüümi poole fosfolipaas C.

Ahls-GTP interaktsioon fosfolipaas C seondumiskohaga muudab ensüümi konformatsiooni ja aktiivsust, suurendab rakumembraani fosfolipiidi – fosfatidüülinositool-4,5-bisfosfaadi (FIF 2) hüdrolüüsi kiirust (Joon. 4.14).

Riis. 4.14. Fosfatidüülinositool-4,5-bisfosfaadi (FIF 2) hüdrolüüs

Reaktsiooni käigus moodustub kaks produkti - hormonaalse signaali sekundaarsed edastajad (sekundaarsed sõnumitoojad): diatsüülglütserool, mis jääb membraani ja osaleb proteiinkinaas C ensüümi aktiveerimises, ja inositool-1,4,5-trifosfaat. (IF 3), mis, olles hüdrofiilne ühend, läheb tsütosooli. Seega on rakuretseptori poolt vastuvõetud signaal kaheharuline. IP 3 seondub endoplasmaatilise retikulumi (E) membraani Ca 2+ kanali spetsiifiliste keskustega, mis viib valgu konformatsiooni muutumiseni ja Ca 2+ kanali avanemiseni. Kuna kaltsiumi kontsentratsioon ER-s on umbes 3-4 suurusjärku kõrgem kui tsütosoolis, siis pärast Ca 2+ kanali avanemist siseneb see tsütosooli mööda kontsentratsioonigradienti. IF 3 puudumisel tsütosoolis on kanal suletud.

Kõikide rakkude tsütosool sisaldab väikest valku nimega kalmoduliin, millel on neli Ca 2+ sidumissaiti. Suureneva kontsentratsiooniga

kaltsium, seondub see aktiivselt kalmoduliiniga, moodustades kompleksse 4Са 2+ -kalmoduliini. See kompleks interakteerub Ca 2+ -kalmoduliinist sõltuvate proteiinkinaaside ja teiste ensüümidega ning suurendab nende aktiivsust. Aktiveeritud Ca 2+-kalmoduliinist sõltuv proteiinkinaas fosforüleerib teatud valgud ja ensüümid, mille tulemusena muutub nende aktiivsus ja nende osalemise metaboolsete protsesside kiirus.

Ca 2+ kontsentratsiooni suurendamine raku tsütosoolis suurendab Ca 2+ interaktsiooni kiirust inaktiivse tsütosoolse ensüümiga proteiinkinaas C (PKC). PKC seondumine kaltsiumiioonidega stimuleerib valgu liikumist plasmamembraanile ja võimaldab ensüümil suhelda membraani fosfatidüülseriini (PS) molekulide negatiivselt laetud "peadega". Diatsüülglütserool, mis hõivab proteiinkinaas C spetsiifilisi kohti, suurendab veelgi selle afiinsust kaltsiumiioonide suhtes. peal sees membraanile moodustub PKC aktiivne vorm (PKCy Ca 2 + y PS? DAG), mis fosforüleerib spetsiifilisi ensüüme.

IF-süsteemi aktiveerumine on lühiajaline ja pärast raku reageerimist stiimulile inaktiveeritakse fosfolipaas C, proteiinkinaas C ja Ca2+-kalmoduliinist sõltuvad ensüümid. af ls - GTP ja fosfolipaas C kompleksis olev allüksus omab ensümaatilise (GTP-fosfataasi) aktiivsust, hüdrolüüsib GTP-d. SKT-ga seotud af ls subühik kaotab oma afiinsuse fosfolipaasi C suhtes ja naaseb oma algsesse passiivsesse olekusse, s.t. sisaldub αβγ-SKT kompleksis Gf ls-valk).

Af ls-GDF eraldamine fosfolipaas C-st inaktiveerib ensüümi ja FIF 2 hüdrolüüs peatub. Ca 2+ kontsentratsiooni suurenemine tsütosoolis aktiveerib endoplasmaatilise retikulumi, tsütoplasmaatilise membraani, Ca 2+ -ATPaasi, mis "pumpab" raku tsütosoolist välja Ca 2 +. Selles protsessis osalevad ka Na+/Ca 2+- ja H+/Ca 2+-kandjad, mis toimivad aktiivse antiport põhimõttel. Ca 2+ kontsentratsiooni langus põhjustab Ca 2+ -kalmoduliinist sõltuvate ensüümide dissotsiatsiooni ja inaktiveerumist, samuti proteiinkinaas C afiinsuse kaotust membraani lipiidide suhtes ja selle aktiivsuse vähenemist.

Süsteemi aktiveerimise tulemusena moodustunud IP 3 ja DAG võivad taas üksteisega suhelda ja muutuda fosfatidüülinositool-4,5-bisfosfaadiks.

Fosforüülitud ensüümid ja valgud fosfoproteiinfosfataasi toimel muutuvad defosforüülitud vormiks, nende konformatsioon ja aktiivsus muutuvad.

5. Katalüütilised retseptorid. Katalüütilised retseptorid on ensüümid. Nende ensüümide aktivaatorid võivad olla hormoonid, kasvufaktorid, tsütokiinid. Aktiivsel kujul fosforüleerivad retseptor-ensüümid türosiini -OH rühmades spetsiifilisi valke, mistõttu neid nimetatakse türosiini proteiinkinaasideks (joonis 4.15). Spetsiaalsete mehhanismide kaudu saab katalüütilise retseptori vastuvõetud signaali edastada tuuma, kus see stimuleerib või pärsib teatud geenide ekspressiooni.

Riis. 4.15. Insuliini retseptori aktiveerimine.

Fosfoproteiini fosfataas defosforüleerib spetsiifilisi fosfoproteiine.

Fosfodiesteraas muudab cAMP AMP-ks ja cGMP GMP-ks.

GLUT 4 – glükoosi transporterid insuliinist sõltuvates kudedes.

Türosiinvalgu fosfataas defosforüülib retseptori β-subühiku

insuliini

Katalüütilise retseptori näide on insuliini retseptor, mis koosneb kahest a- ja kahest β-subühikust. a-subühikud paiknevad rakumembraani välispinnal, β-subühikud tungivad läbi membraani kaksikkihi. Insuliini sidumissaidi moodustavad α-subühikute N-terminaalsed domeenid. Retseptori katalüütiline keskus asub β-subühikute rakusisestel domeenidel. Retseptori tsütosoolses osas on mitu türosiinijääki, mida saab fosforüülida ja defosforüülida.

Insuliini kinnitumine a-subühikute moodustatud sidumissaidile põhjustab retseptoris kooperatiivseid konformatsioonilisi muutusi. β-subühikutel on türosiinkinaasi aktiivsus ja need katalüüsivad transautofosforüülimist (esimene β-subühik fosforüülib teise β-subühiku ja vastupidi) mitme türosiini jäägi juures. Fosforüülimine põhjustab muutusi ensüümi (Tyr-PA) laengus, konformatsioonis ja substraadi spetsiifilisuses. Türosiin-PK fosforüülib teatud rakuvalke, mida nimetatakse insuliiniretseptori substraatideks. Need valgud on omakorda seotud fosforüülimisreaktsioonide kaskaadi aktiveerimisega:

fosfoproteiini fosfataas(FPF), mis defosforüleerib spetsiifilisi fosfoproteiine;

fosfodiesteraas, mis muudab cAMP AMP-ks ja cGMP GMP-ks;

GLUT 4- glükoosikandjad insuliinsõltuvates kudedes, seetõttu suureneb glükoosi omastamine lihas- ja rasvkoe rakkudesse;

türosiinvalgu fosfataas mis defosforüleerib insuliini retseptori β-subühikut;

tuuma reguleerivad valgud, transkriptsioonifaktorid, suurendada või vähendada teatud ensüümide geeniekspressiooni.

Efekti rakendamine kasvufaktorid võib läbi viia katalüütiliste retseptorite abil, mis koosnevad ühest polüpeptiidahelast, kuid moodustavad primaarse messengeri seondumisel dimeere. Kõikidel seda tüüpi retseptoritel on ekstratsellulaarne glükosüülitud domeen, transmembraanne (a-heeliks) ja tsütoplasmaatiline domeen, mis on võimeline aktiveerimisel avaldama proteiinkinaasi aktiivsust.

Dimerisatsioon soodustab nende katalüütiliste intratsellulaarsete domeenide aktiveerimist, mis teostavad seriini, treoniini või türosiini aminohappejääkide juures transautofosforüülimist. Fosforijääkide kinnitumine viib spetsiifiliste tsütosoolsete valkude seondumiskohtade moodustumiseni retseptoris ja proteiinkinaasi signaaliülekande kaskaadi aktiveerumiseni (joonis 4.16).

Primaarsete sõnumitoojate (kasvufaktorite) signaaliülekande sündmuste jada Ras- ja Raf-valkude osalusel.

Retseptori (R) seondumine kasvufaktoriga (GF) viib selle dimeriseerumiseni ja transautofosforüülimiseni. Fosforüülitud retseptor omandab afiinsuse Grb2 valgu suhtes. Moodustunud FR*R*Grb2 kompleks interakteerub tsütosoolse SOS-valguga. SOS konformatsiooni muutus

tagab selle interaktsiooni ankurdatud Ras-GDF membraanivalguga. FRaRgGrb2SOSRas-GDP kompleksi moodustumine vähendab Ras valgu afiinsust GDP suhtes ja suurendab afiinsust GTP suhtes.

GDP asendamine GTP-ga muudab Ras-valgu konformatsiooni, mis vabaneb kompleksist ja interakteerub membraanipiirkonnas Raf-valguga. Ras-GTP-Raf kompleksil on proteiinkinaasi aktiivsus ja see fosforüülib MEK kinaasi ensüümi. Aktiveeritud MEK kinaas omakorda fosforüülib MAP kinaasi treoniini ja türosiini juures.

Joon.4.16. MAP kinaasi kaskaad.

Seda tüüpi retseptoritel on epidermaalne kasvufaktor (EGF), närvikasvufaktor (NGF) ja muud kasvufaktorid.

Grb2 – valk, mis interakteerub kasvufaktori retseptoriga (kasvuretseptorit siduv valk); SOS (GEF) - GDP-GTP vahetusfaktor (guaniini nukleotiidi vahetusfaktor); Ras - G-valk (guanidiintrifosfataas); Raf-kinaas - aktiivsel kujul - fosforüüliv MEK-kinaas; MEK kinaas - MAP kinaasi kinaas; MAP kinaas – mitogeeniga aktiveeritud proteiinkinaas (mitogeeniga aktiveeritud proteiinkinaas)

-PO 3 2 - rühma kinnitumine MAP kinaasi aminohapete radikaalidele muudab selle laengut, konformatsiooni ja aktiivsust. Ensüüm fosforüülib membraanide, tsütosooli ja tuuma spetsiifilisi valke seriiniks ja treoniiniks.

Muutused nende valkude aktiivsuses mõjutavad ainevahetusprotsesside kiirust, membraani translokaaside toimimist ja sihtrakkude mitootilist aktiivsust.

Retseptorid koos guanülaattsüklaasi aktiivsus Neid nimetatakse ka katalüütilisteks retseptoriteks. Guanülaadi tsüklaas katalüüsib cGMP moodustumist GTP-st, mis on rakusisese signaaliülekande üks olulisi sõnumitoojaid (vahendajaid) (joonis 4.17).

Riis. 4.17. Membraani guanülaattsüklaasi aktiivsuse reguleerimine.

Membraaniga seotud guanülaattsüklaas (GC) on transmembraanne glükoproteiin. Signaalmolekuli sidumiskeskus asub ekstratsellulaarsel domeenil, guanülaattsüklaasi intratsellulaarne domeen avaldab aktiveerimise tulemusena katalüütilist aktiivsust

Primaarse messengeri kinnitumine retseptorile aktiveerib guanülaattsüklaasi, mis katalüüsib GTP konversiooni tsükliliseks guanosiin-3,5'-monofosfaadiks (cGMP), teiseks sõnumitoojaks. CGMP kontsentratsioon rakus suureneb. cGMP molekulid võivad pöörduvalt kinnituda proteiinkinaas G (PKG5) regulatoorsete keskustega, mis koosneb kahest subühikust. Neli cGMP molekuli muudavad ensüümi konformatsiooni ja aktiivsust. Aktiivne proteiinkinaas G katalüüsib teatud valkude ja ensüümide fosforüülimist raku tsütosoolis. Üks proteiinkinaas G peamisi sõnumitoojaid on kodade natriureetiline faktor (ANF), mis reguleerib vedeliku homöostaasi kehas.

6. Signaali edastamine intratsellulaarsete retseptorite abil. Keemiliselt hüdrofoobsed hormoonid (steroidhormoonid ja türoksiin) võivad difundeeruda läbi membraanide, mistõttu nende retseptorid paiknevad tsütosoolis või raku tuumas.

Tsütosoolsed retseptorid on seotud chaperone valguga, mis takistab retseptori enneaegset aktivatsiooni. Steroid- ja kilpnäärmehormoonide tuuma- ja tsütosoolsed retseptorid sisaldavad DNA-d siduvat domeeni, mis tagab hormoon-retseptori kompleksi interaktsiooni tuumas oleva DNA regulatoorsete piirkondadega ja transkriptsioonikiiruse muutused.

Sündmuste jada, mis põhjustab transkriptsioonikiiruse muutumise

Hormoon läbib rakumembraani lipiidide kaksikkihti. Tsütosoolis või tuumas interakteerub hormoon retseptoriga. Hormoon-retseptori kompleks siseneb tuuma ja kinnitub DNA regulatoorse nukleotiidjärjestuse külge - võimendaja(joon. 4.18) või summuti. RNA polümeraasi promootori kättesaadavus suureneb interaktsioonil võimendajaga või väheneb interaktsioonil summutiga. Vastavalt sellele suureneb või väheneb teatud struktuursete geenide transkriptsiooni kiirus. Küpsed mRNA-d vabanevad tuumast. Teatud valkude translatsiooni kiirus suureneb või väheneb. Muutub raku ainevahetust ja funktsionaalset seisundit mõjutavate valkude hulk.

Igas rakus on erinevatesse signaalimuundurisüsteemidesse kaasatud retseptorid, mis muudavad kõik välised signaalid rakusiseseks. Konkreetse esmase sõnumitooja retseptorite arv võib varieeruda 500-st üle 100 000-ni raku kohta. Need asuvad membraanil üksteisest eemal või on koondunud selle teatud piirkondadesse.

Riis. 4.18. Signaali ülekanne rakusisestele retseptoritele

b) valige tabelist lipiidid, mis on seotud:

1. Proteiinkinaas C aktiveerimine

2. DAG moodustumise reaktsioonid fosfolipaasi C toimel

3. Närvikiudude müeliinkestade moodustumine

c) kirjutage lõikes 2 valitud lipiidi hüdrolüüsireaktsioon;

d) näidata, milline hüdrolüüsiproduktidest osaleb endoplasmaatilise retikulumi Ca 2 + kanali reguleerimises.

2. Vali õiged vastused.

Kandjavalkude konformatsioonilist labiilsust võivad mõjutada:

B. Elektrilise potentsiaali muutus läbi membraani

B. Spetsiifiliste molekulide kinnitumine D. Kahekihiliste lipiidide rasvhapete koostis E. Transporditava aine kogus

3. Määra sobivus:

A. ER kaltsiumikanal B. Ca 2 +-ATPaas

D. Ka +-sõltuv kandja Ca 2 + D. N +, K + -ATPaas

1. Kannab Na+ piki kontsentratsioonigradienti

2. Toimib hõlbustatud difusiooni mehhanismi järgi

3. Kannab Na+ vastu kontsentratsioonigradienti

4. Viige laud üle. 4.2. märkmik ja täitke see.

Tabel 4.2. Adenülaattsüklaasi ja inositoolfosfaadi süsteemid

Struktuur ja tööetapid	Adenülaattsüklaasi süsteem	Inositoolfosfaadi süsteem
Süsteemi esmase sõnumitooja näide
Integreeritud rakumembraani valk, mis interakteerub komplementaarselt esmase sõnumitoojaga
Signaalensüümi aktiveeriv valk
Ensüümsüsteem, mis moodustab sekundaarse(e) sõnumikandja(d)
Süsteemi sekundaarsed sõnumitoojad
Süsteemi tsütosoolne (e) ensüüm(id), mis interakteeruvad (e) teise sõnumitoojaga
Metaboolsete radade ensüümide aktiivsuse reguleerimise mehhanism (selles süsteemis).
Mehhanismid sekundaarsete sõnumitoojate kontsentratsiooni vähendamiseks sihtrakus
Signaalsüsteemi membraaniensüümi aktiivsuse vähenemise põhjus

ÜLESANDED ENESEKOHTAMISEKS

1. Määra sobivus:

A. Passiivne sümptom B. Passiivne antiport

B. Endotsütoos D. Eksotsütoos

D. Esmane aktiivne transport

1. Aine transport rakku toimub koos plasmamembraani osaga

2. Kontsentratsioonigradienti mööda läheb rakku samaaegselt kaks erinevat ainet

3. Ainete transport läheb vastuollu kontsentratsioonigradiendiga

2. Vali õige vastus.

ag-GTP-ga seotud G-valgu subühik aktiveerib:

A. Retseptor

B. Proteiini kinaas A

B. Fosfodiesteraas D. Adenülaattsüklaas E. Proteiini kinaas C

3. Määra vaste.

Funktsioon:

A. Reguleerib katalüütilise retseptori aktiivsust B. Aktiveerib fosfolipaasi C

B. Muudab proteiinkinaasi A aktiivseks vormiks

D. Suurendab Ca 2+ kontsentratsiooni raku tsütosoolis E. Aktiveerib proteiinkinaasi C

Teine sõnumitooja:

4. Määra vaste.

Toimimine:

A. Võimalik külgdifusiooniks membraani kaksikkihis

B. Koos esmase sõnumitoojaga liitub see võimendajaga

B. Näitab ensümaatilist aktiivsust esmase sõnumitoojaga suheldes

G. Võib interakteeruda G-valguga

D. Suhtleb signaali edastamise ajal fosfolipaas C-ga Retseptor:

1. Insuliin

2. Adrenaliin

3. Steroidhormoon

5. Täitke "ahela" ülesanne:

a) peptiidhormoonid interakteeruvad retseptoritega:

A. Raku tsütosoolis

B. Sihtrakumembraanide integraalsed valgud

B. Raku tuumas

G. Kovalentselt seotud FIF 2-ga

b) sellise retseptori interaktsioon hormooniga põhjustab kontsentratsiooni suurenemist rakus:

A. Hormoon

B. Vahemetaboliidid

B. Teised sõnumitoojad D. Tuumavalgud

sisse) Need molekulid võivad olla:

A. MÄRGIST B. GTP

B. FIF 2 D. cAMP

G) nad aktiveerivad:

A. Adenülaattsüklaas

B. Ca 2+ -sõltuv kalmoduliin

B. Proteiini kinaas A D. Fosfolipaas C

e) see ensüüm muudab metaboolsete protsesside kiirust rakus:

A. Ca 2 + kontsentratsiooni suurendamine tsütosoolis B. Reguleerivate ensüümide fosforüülimine

B. Protenfosfataasi aktiveerimine

D. Muutused regulatoorsete valkude geenide ekspressioonis

6. Täitke "ahela" ülesanne:

a) kasvufaktori (GF) kinnitumine retseptorile (R) põhjustab:

A. Muutused FR-R kompleksi lokaliseerimises

B. Retseptori dimerisatsioon ja transautofosforüülimine

B. Muutus retseptori konformatsioonis ja kinnitumine Gs valguga D. FR-R kompleksi liikumine

b) sellised muutused retseptori struktuuris suurendavad selle afiinsust membraani pinnavalgu suhtes:

B. Raf G. Grb2

sisse) see interaktsioon suurendab tsütosoolse valgukompleksi külge kinnitumise tõenäosust:

A. Kalmodulina B. Ras

B. PCS D. SOS

G) mis suurendab kompleksi komplementaarsust "ankurdatud" valguga:

e) "ankurdatud" valgu konformatsiooni muutus vähendab selle afiinsust:

A. CAMP B. GTP

B. GDF G. ATP

e) see aine asendatakse järgmisega:

A. GDF B. AMP

B. cGMP D. GTP

ja) nukleotiidi kinnitumine soodustab "ankurdatud" valgu koostoimet:

A. PKA B. Kalmoduliin

h) See valk on osa kompleksist, mis fosforüülib:

A. MEK kinaas B. Proteiini kinaas C

B. Proteiini kinaas A D. MAP kinaas

ja) See ensüüm omakorda aktiveerib:

A. MEK kinaas B. Proteiini kinaas G

B. Raf proteiin D. MAP kinaas

j) valgu fosforüülimine suurendab selle afiinsust:

A. SOS- ja Raf-valgud B. Tuuma reguleerivad valgud B. Kalmoduliin D. Tuumaretseptorid

k) nende valkude aktiveerimine põhjustab:

A. GTP defosforüülimine Ras valgu aktiivses keskuses B. Retseptori vähenenud afiinsus kasvufaktori suhtes

B. Maatriksi biosünteesi kiiruse suurenemine D. SOS-Grb2 kompleksi dissotsiatsioon

m) selle tulemusena:

A. SOS valk vabaneb retseptorist

B. Toimub retseptori protomeeride (R) dissotsiatsioon

B. Ras-valk eraldub Raf-valgust

D. Sihtraku proliferatiivne aktiivsus suureneb.

VASTUSTE STANDARDID "ENESEKOHTAMISEKS"

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

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

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

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

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

PÕHIMÕISTED JA MÕISTED

1. Membraanide ehitus ja funktsioonid

2. Ainete transport läbi membraanide

3. Membraanvalkude struktuurilised iseärasused

4. Transmembraansed signaaliülekandesüsteemid (adenülaattsüklaas, inositoolfosfaat, guanülaattsüklaas, katalüütilised ja intratsellulaarsed retseptorid)

5. Esmased sõnumitoojad

6. Teisesed sõnumitoojad (vahendajad)

AUDIITSIOONITÖÖD ÜLESANDED

1. Vaata joon. 4.19 ja täitke järgmised ülesanded:

a) nimetada transpordiliik;

b) määrake sündmuste järjekord:

A. Cl - lahkub rakust piki kontsentratsioonigradienti

B. Proteiini kinaas A fosforüülib kanali R-subühiku

B. R-subühiku konformatsiooni muutused

D. Membraanivalgus tekivad kooperatiivsed konformatsioonilised muutused

D. Aktiveeritakse adenülaattsüklaasi süsteem

Riis. 4.19. Soole endoteeli C1-kanali toimimine.

R on reguleeriv valk, mis muundatakse proteiinkinaas A (PKA) toimel fosforüülitud vormiks.

c) võrdleb endoplasmaatilise retikulummembraani Ca 2+ kanali ja soole endoteeliraku Cl - kanali talitlust, täites tabeli. 4.3.

Tabel 4.3. Kanalite toimimise reguleerimise viisid

Probleeme lahendama

1. Südamelihase kontraktsioon aktiveerib Ca 2 +, mille sisaldus raku tsütosoolis suureneb tsütoplasmaatilise membraani cAMP-sõltuvate kandjate toimimise tõttu. Omakorda reguleerivad cAMP kontsentratsiooni rakkudes kaks signaalmolekuli - adrenaliin ja atsetüülkoliin. Lisaks on teada, et adrenaliin, interakteerudes β2-adrenergiliste retseptoritega, suurendab cAMP kontsentratsiooni müokardi rakkudes ja stimuleerib südame väljundit ning atsetüülkoliin, interakteerudes M 2 -kolinergiliste retseptoritega, vähendab cAMP taset ja müokardi kontraktiilsust. Selgitage, miks kaks peamist sõnumitoojat, kasutades sama signaaliülekandesüsteemi, kutsuvad esile erineva rakulise vastuse. Selle jaoks:

a) esitab adrenaliini ja atsetüülkoliini signaaliülekande skeemi;

b) näitavad nende sõnumitoojate signaalikaskaadide erinevust.

2. Atsetüülkoliin, interakteerub M3-kolinergiliste retseptoritega süljenäärmed, stimuleerib Ca 2+ vabanemist ER-st. Ca 2+ kontsentratsiooni tõus tsütosoolis tagab sekretoorsete graanulite eksotsütoosi ning elektrolüütide ja väikese koguse valkude vabanemise süljejuhasse. Selgitage, kuidas reguleeritakse ER Ca 2+ kanaleid. Selle jaoks:

a) nimetage ER Ca 2+ kanalite avamist võimaldav teine ​​sõnumitooja;

b) kirjutada reaktsioon teise sõnumitooja tekkeks;

c) esitab atsetüülkoliini transmembraanse signaaliülekande skeemi, mille aktiveerimise käigus saab regulatoorligand Ca 2+ -

3. Insuliiniretseptori teadlased on tuvastanud olulise muutuse valgu, ühe insuliiniretseptori substraadi geenis. Kuidas mõjutab häire selle valgu struktuuris insuliini signaalisüsteemi toimimist? Küsimusele vastamiseks:

a) esitage insuliini transmembraanse signaalimise diagramm;

b) nimetada sihtrakkudes insuliini aktiveerivad valgud ja ensüümid, näidata nende funktsioon.

4. Ras-valk on tsütoplasmaatilises membraanis "ankurdatud" valk. "Ankru" funktsiooni täidab farnesüüli H 3 C-(CH 3) C \u003d CH-CH 2 - [CH 2 - (CH 3) C \u003d CH-CH 2] 2 15 süsinikusisaldusega jääk. -, mis kinnitub valgu külge ensüümi farnesüültransferaas kaudu translatsioonijärgse modifikatsiooni käigus. Praegu läbivad selle ensüümi inhibiitorid kliinilised uuringud.

Miks nende ravimite kasutamine kahjustab kasvufaktori signaaliülekannet? Vastuseks:

a) esitab Ras valke hõlmava signaaliülekande skeemi;

b) selgitab Ras-valkude funktsiooni ja nende atsüülimise ebaõnnestumise tagajärgi;

c) arvake, milliste haiguste raviks need ravimid välja töötati.

5. Steroidhormoon kaltsitriool aktiveerib toidust saadava kaltsiumi imendumist, suurendades Ca 2+ kandevalkude hulka soolerakkudes. Selgitage kaltsitriooli toimemehhanismi. Selle jaoks:

a) esitab steroidhormoonide signaaliülekande üldise skeemi ja kirjeldab selle toimimist;

b) nimeta protsess, mis aktiveerib hormooni sihtraku tuumas;

c) näidata, millises maatriksi biosünteesis tuumas sünteesitud molekulid osalevad ja kus see toimub.

Sõltuvalt retseptorite paiknemisest sihtrakkudes võib hormoonid jagada kolme rühma.

Esimene rühm koosneb lipiidhormoonid. Olles rasvlahustuvad, tungivad nad kergesti läbi rakumembraan ja interakteeruvad rakus, tavaliselt tsütoplasmas paiknevate retseptoritega.

Teiseks rühm-valk- ja peptiidhormoonid. Need koosnevad aminohapetest ja võrreldes lipiidsete hormoonidega on suurema molekulmassiga ja vähem lipofiilsed, mis raskendab plasmamembraani läbimist. Nende hormoonide retseptorid asuvad rakumembraani pinnal, nii et valgu- ja peptiidhormoonid ei tungi rakku.

Kolmas keemiline hormoonide rühm on madala molekulmassiga kilpnäärme hormoonid, moodustatud kahest eetersidemega seotud aminohappejäägist. Need hormoonid tungivad kergesti kõikidesse keharakkudesse ja interakteeruvad tuumas paiknevate retseptoritega. Ühes ja samas rakus võivad olla kõik kolm tüüpi retseptoreid, s.t. lokaliseeritud tuumas, tsütosoolis ja plasmamembraani pinnal. Lisaks võivad samas rakus esineda erinevad sama tüüpi retseptorid; näiteks võivad rakumembraani pinnal esineda retseptorid erinevatele peptiid- ja/või valguhormoonidele.

Sekundaarsed sõnumitoojad: 1) tsüklilised nukleotiidid (cAMP ja cGMP); 2) Ca ioonid ja 3) fosfatidüülinositooli metaboliidid.

Ühinemine hormoon retseptorile võimaldab viimasel interakteeruda G-valguga. Kui G-valk aktiveerib adenülaattsüklaas-cAMP süsteemi, nimetatakse seda Gs-valguks. Gs-valgu abil ensüümi membraaniga seotud adenülaattsüklaasi stimuleerimine katalüüsib tsütoplasmas oleva väikese koguse adenosiintrifosfaadi konversiooni rakus olevaks cAMP-ks.

Järgmine etapp vahendatud aktiveerimine cAMP-sõltuva proteiinkinaasi poolt, mis fosforüülib rakus spetsiifilisi valke, käivitades biokeemilised reaktsioonid, mis tagab raku reageerimise hormooni toimele.

Üks kord laager rakus moodustub, see tagab mitmete ensüümide järjestikuse aktiveerimise, s.t. kaskaadreaktsioon. Seega aktiveerib esimene aktiveeritud ensüüm teise, mis aktiveerib kolmanda. Selle mehhanismi eesmärk on, et väike arv adenülaattsüklaasi poolt aktiveeritud molekule saaks kaskaadreaktsiooni järgmises etapis aktiveerida palju suurema arvu molekule, mis on viis reaktsiooni tõhustamiseks.

Lõpuks tänu sellele mehhanism tühine hulk rakumembraani pinnale mõjuvat hormooni käivitab võimsa aktiveerivate reaktsioonide kaskaadi.

Kui hormoon suhtleb retseptor seotud inhibeeriva G-valguga (Gi-valguga), vähendab see cAMP moodustumist ja selle tulemusena raku aktiivsust.

Küsimused tunniks valmistumiseks:

1. Hormonaalne regulatsioon kui rakkudevahelise ja orgaanilise ainevahetuse koordinatsiooni mehhanism. Ainevahetuse regulatsiooni peamised mehhanismid: ensüümide aktiivsuse muutus rakus, ensüümide hulga muutus rakus (sünteesi esilekutsumine või represseerimine), rakumembraanide läbilaskvuse muutus.

2. Hormoonid, üldised omadused, hormoonide klassifikatsioon keemilise struktuuri ja bioloogiliste funktsioonide järgi. Valguhormoonide toimemehhanism.

3. Steroidse iseloomuga hormoonide ja türoksiini toimemehhanism.

4. Hüpotalamuse hormoonid. Luliberiin, somatostatiin, türoliberiin.

5. Hüpofüüsi hormoonid. Hüpofüüsi tagumise osa hormoonid: vasopressiin, oksütotsiin.

6. Jodotüroniinide struktuuri süntees ja metabolism.

7. Jodotüroniinide mõju ainevahetusele. Hüpo- ja hüpertüreoidism.

8. Neerupealise medulla hormoonid. Struktuur, mõju ainevahetusele. katehhoolamiinide biosüntees.

9. Kasvuhormoon, struktuur, funktsioonid.

10. Hormoonid kõrvalkilpnäärmed. Fosfor-kaltsiumi metabolismi reguleerimine.

11. Insuliin. glükagoon. Mõju ainevahetusele.

12. Insuliinsõltuva suhkurtõve hormonaalne pilt

13. Insuliinsõltumatu suhkurtõve hormonaalne pilt

14. Steroidhormoonid. Glükokortikoidid.

15. Suguhormoonid.

16. Reniin-angiotensiini süsteem.

17. Kallikrein-kinin süsteem.

Täitke ülesanded:

1. Liberiinid:

A. Väikesed peptiidid

B. Suhelge tsütoplasmaatiliste retseptoritega.

B. Aktiveerige troopiliste hormoonide sekretsioon.

D. Nad edastavad signaali hüpofüüsi eesmise osa retseptoritele.

D. Põhjustada insuliini sekretsiooni.

2. Vali vale väide. laager:

A. Osaleb glükogeeni mobiliseerimises.

B. Signaali teine ​​sõnumitooja.

B. Proteiini kinaasi aktivaator.

D. Adenülaattsüklaasi koensüüm.

D. Fosfodiesteraasi substraat.

3. Järjesta jodotüroniinide sünteesi käigus aset leidvad sündmused numbrilise tähise abil õigesse järjekorda:

A. Türosiinijääkide jood türeoglobuliinis.

B. Türeoglobuliini süntees.

B. Jodeeritud türosiini jääkide kondenseerumine.

D. Jodotüroniinide transport sihtrakkudesse.

D. Türoksiini siduva valguga kompleksi moodustumine.

4. Järjesta loetletud metaboliidid nende moodustumise järjekorras:

A. 17-OH-progesteroon.

B. Pregnenoloon.

B. Kolesterool.

G. Progesteroon

D. Kortisool.

5. Valige hormoon, mille süntees ja sekretsioon suureneb vastusena osmootse rõhu tõusule:

A. Aldosteroon.

B. Kortisool.

B. Vasopressiin.

G. Adrenaliin.

D. Glükagoon.

6. Insuliini mõjul maksas kiirendada:

A. Valkude biosüntees

B. Glükogeeni biosüntees.

B. Glükoneogenees.

D. Rasvhapete biosüntees.

D. Glükolüüs.

7. Kolmepäevase paastu puhul kehtib kõik järgmine, välja arvatud:

A. Insuliini-glükagooni indeks on vähenenud.

B. Glükoneogeneesi kiirus aminohapetest on suurenenud.

C. TAG-i sünteesi kiirus maksas väheneb.

D. B-oksüdatsiooni kiirus maksas väheneb.

D. Ketoonkehade kontsentratsioon veres on üle normi.

8. Millal diabeet esineb maksas:

A. Glükogeeni sünteesi kiirendamine.

B. Laktaadist tingitud glükoneogeneesi kiiruse vähenemine.

B. Glükogeeni mobilisatsiooni kiiruse vähenemine.

D. Atsetoatsetaadi sünteesi kiiruse suurendamine.

D. Atsetüül-CoA karboksülaasi aktiivsuse suurenemine.

9. Kui NIDDM-i patsiendid avastasid kõige sagedamini:

A. Hüperglükoseemia.

B. Insuliini sünteesi kiiruse vähenemine.

B. Insuliini kontsentratsioon veres on normaalne või üle normi.

D. Pankrease b-rakkude vastased antikehad.

D. Mikroangiopaatia.

LAB 14

Teema: Glükeemiliste kõverate konstrueerimine ja analüüs

Sihtmärk: Uurida süsivesikute vaheainevahetust, süsivesikute rolli energiavahetuses. Suhkrukoormuse meetodi kliiniline ja diagnostiline tähendus suhkurtõve, Addisoni tõve, kilpnäärme alatalitluse jm korral.

Meetodi põhimõte : Glükoosi määramine põhineb reaktsioonil, mida katalüüsib glükoosoksüdaas:

glükoos + O 2 glükonolaktoon + H 2 O 2

Selle reaktsiooni käigus moodustunud vesinikperoksiid põhjustab peroksidaasi substraatide oksüdatsiooni koos värvilise toote moodustumisega.

Suhkru laadimise meetod: Hommikul tühja kõhuga võetakse patsiendi sõrmest verd ja määratakse veresuhkru kontsentratsioon. Pärast seda andke juua 50–100 g glükoosi 200 ml soojas. keedetud vett(1 g glükoosi 1 kg kehakaalu kohta) mitte rohkem kui 5 minutit. Seejärel uuritakse uuesti glükoosisisaldust veres, võttes sõrmest verd iga 30 minuti järel 2-3 tunni jooksul. Graafik on ehitatud koordinaatidesse: aeg - glükoosi kontsentratsioon vereseerumis, vastavalt graafiku tüübile tehakse diagnoos või täpsustatakse.

Edusammud: Seerumiproovides (enne ja pärast glükoosi võtmist) määrake glükoosi kontsentratsioon. Selleks lisatakse katseklaaside seeriasse 2 ml tööreaktiivi (fosfaatpuhver, peroksidaas + glükoosoksüdaasi substraadid vahekorras 40:1). Ühte katseklaasi lisatakse 0,05 ml standardset glükoosilahust kontsentratsiooniga 10 mmol/L. Teistes - 0,05 ml suhkrukoormuse meetodil võetud vereseerumit. Lahused loksutatakse ja inkubeeritakse toatemperatuuril 20 minutit.

Pärast inkubeerimist mõõdetakse lahuste optiline tihedus FEC-ga lainepikkusel 490 nm. Küvett optilise tee pikkusega 5 mm. Võrdluslahus – tööreaktiiv.

Glükoosi kontsentratsiooni arvutamine:

C = 10 mmol/l

kus E op - optiline tihedus seerumiproovides;

E st - standardse glükoosilahuse optiline tihedus

Analüüsi tulemus:

Ajakava:

Järeldus:

Kuupäev: Õpetaja allkiri:

PRAKTILINE TUND

Test3 Ainevahetuse hormonaalne regulatsioon

Hüdrofiilsed hormoonid koosnevad aminohapetest või on aminohapete derivaadid. Need ladestuvad suurtes kogustes endokriinsete näärmete rakkudesse ja sisenevad vajadusel verre. Enamik neist ainetest transporditakse vereringes ilma kandjate osaluseta. Seetõttu ei suuda hüdrofiilsed hormoonid lipofiilset rakumembraani läbida tegutseda sihtrakkudel seondudes plasmamembraani retseptoriga.

Retseptorid on integraalsed membraanivalgud, mis seovad signaalaineid väljaspool membraane ja ruumistruktuuri muutes genereerida membraani siseküljel uus signaal.

Retseptoreid on kolme tüüpi:

1. Esimest tüüpi retseptorid on valgud, millel on üks transmembraanne ahel. Selle allosteerilise ensüümi (paljud on türosiini proteiinkinaasid) aktiivne sait asub membraani siseküljel. Kui hormoon seondub retseptoriga, siis viimane dimeriseerub koos türosiini samaaegse aktiveerimise ja fosforüülimisega retseptoris. Signaali kandjavalk seondub fosfotürosiiniga, mis edastab signaali rakusisestele proteiinkinaasidele.
2. ioonkanalid. Need on membraanivalgud, mis ligandidega seondudes on avatud Na +, K + või Cl + ioonidele. Nii toimivad neurotransmitterid.
3. Kolmandat tüüpi retseptorid, mis on seotud GTP-d siduvate valkudega. Nende retseptorite peptiidahel sisaldab seitset transmembraanset ahelat. Sellised retseptorid annavad GTP-d siduvate valkude (G-valgu) kaudu signaali efektorvalkudele. Nende valkude ülesanne on kontsentratsiooni muuta sekundaarsed sõnumitoojad(vt allpool).

Hüdrofiilse hormooni seondumine membraaniretseptoriga hõlmab ühte kolmest rakusisese vastuse variandist: 1) retseptori türosiinkinaasid aktiveerivad rakusiseseid proteiinkinaase, 2) ioonikanalite aktiveerimine viib ioonide kontsentratsiooni muutumiseni, 3) GTP-d siduvate valkudega seotud retseptorid käivitavad ainete - vahendajate - sünteesi, sekundaarsed sõnumitoojad. Kõik kolm hormonaalset signaaliülekandesüsteemi on omavahel ühendatud.

Mõelge signaaliülekandele G-valkude poolt, kuna see protsess mängib paljude hormoonide toimemehhanismis võtmerolli. G-valgud edastavad signaali kolmandat tüüpi retseptorilt efektorvalkudele. Need koosnevad kolmest alaühikust: α, β ja g. α-subühik võib siduda guaniini nukleotiide (GTP, GDP). Mitteaktiivses olekus on G-valk seotud SKT. Kui hormoon seondub retseptoriga, muudab viimane oma konformatsiooni nii, et suudab siduda G-valguga. G-valgu ühendus retseptoriga viib SKT vahetuseni GTP. Sel juhul G-valk aktiveeritakse, see eraldatakse retseptorist ja dissotsieerub α-subühikuks ja β, g-kompleksiks. GTP-α-subühik seondub efektorvalkudega ja muudab nende aktiivsust, mille tulemuseks on sekundaarsete sõnumitoojate (messengers) süntees: cAMP, cGMP, diatsüülglütserool (DAG), inositool-1,4,5-trifosfaat (I-3-P). ) jne. Seondunud GTP aeglane hüdrolüüs GDP-ks muudab α-subühiku mitteaktiivseks ja see seostub taas β, g-kompleksiga, st. G-valk naaseb algsesse olekusse.

Teised sõnumitoojad ehk vahendajad on rakusisesed ained, mille kontsentratsiooni kontrollivad rangelt hormoonid, neurotransmitterid ja muud rakuvälised signaalid. Olulisemad teisesed sõnumitoojad on cAMP, cGMP, diatsüülglütserool (DAG), inositool-1,4,5-trifosfaat (I-3-P), lämmastikmonooksiid.

cAMP toimemehhanism. cAMP on proteiinkinaaside A (PK-A) ja ioonikanalite allosteeriline efektor. Inaktiivses olekus on PC-A tetrameer, mille kahte katalüütilist alaühikut (K-subühikut) inhibeerivad reguleerivad alaühikud (R-subühikud). CAMP seondumisel dissotsieeruvad R-subühikud kompleksist ja K-subühikud aktiveeruvad.

Aktiivne ensüüm võib fosforüülida spetsiifilisi seriini ja treoniini jääke enam kui 100 erinevas valgus ja transkriptsioonifaktoris. Fosforüülimise tulemusena muutub nende valkude funktsionaalne aktiivsus.

Kui seote kõik kokku, saate järgmise adenülaattsüklaasi süsteemi skeemi:

Adenülaattsüklaasi süsteemi aktiveerimine võtab väga kaua aega lühikest aega, sest G-valk hakkab pärast adenülaattsüklaasiga seondumist avaldama GTPaasi aktiivsust. Pärast GTP hüdrolüüsi taastab G-valk oma konformatsiooni ja lakkab adenülaattsüklaasi aktiveerimast. Selle tulemusena cAMP moodustumise reaktsioon peatub.

Lisaks adenülaattsüklaasi süsteemis osalejatele on mõnedel sihtrakkudel G-valkudega seotud retseptorvalgud, mis põhjustavad adenülaattsüklaasi inhibeerimist. Samal ajal inhibeerib "GTP-G-valgu" kompleks adenülaattsüklaasi.

Kui cAMP moodustumine peatub, ei peatu fosforüülimisreaktsioonid rakus kohe: seni, kuni cAMP molekulid eksisteerivad, jätkub proteiinkinaasi aktiveerimise protsess. cAMP-i toime peatamiseks on rakkudes spetsiaalne ensüüm - fosfodiesteraas, mis katalüüsib 3,5"-tsüklo-AMP hüdrolüüsireaktsiooni AMP-ks.

Mõned ained, millel on fosfodiesteraasi pärssiv toime (nt alkaloidid kofeiin, teofülliin), aitavad säilitada ja tõsta tsüklo-AMP kontsentratsiooni rakus. Nende ainete mõjul organismis pikeneb adenülaattsüklaasi süsteemi aktiveerimise kestus, see tähendab, et hormooni toime suureneb.

Lisaks adenülaattsüklaasi või guanülaattsüklaasi süsteemidele on olemas ka mehhanism teabe edastamiseks sihtraku sees kaltsiumioonide ja inositooltrifosfaadi osalusel.

Inositooltrifosfaat on aine, mis on kompleksse lipiidi - inositoolfosfatiidi derivaat. See moodustub spetsiaalse ensüümi - fosfolipaasi "C" - toimel, mis aktiveeritakse membraani retseptori valgu intratsellulaarse domeeni konformatsiooniliste muutuste tulemusena.

See ensüüm hüdrolüüsib fosfoestersideme fosfatidüülinositool-4,5-bisfosfaadi molekulis, mille tulemusena moodustuvad diatsüülglütserool ja inositooltrifosfaat.

On teada, et diatsüülglütserooli ja inositooltrifosfaadi moodustumine põhjustab ioniseeritud kaltsiumi kontsentratsiooni suurenemist rakus. See viib paljude kaltsiumist sõltuvate valkude aktiveerimiseni rakus, sealhulgas erinevate proteiinkinaaside aktiveerimiseni. Ja siin, nagu ka adenülaattsüklaasi süsteemi aktiveerimise korral, on rakusiseste signaalide edastamise üheks etapiks valgu fosforüülimine, mis viib raku füsioloogilise reaktsioonini hormooni toimele.

Spetsiaalne kaltsiumi siduv valk kalmoduliin osaleb sihtraku fosfoinositiidi signaaliülekande mehhanismi töös. See on madala molekulmassiga valk (17 kDa), mis koosneb 30% ulatuses negatiivselt laetud aminohapetest (Glu, Asp) ja on seetõttu võimeline aktiivselt siduma Ca +2. Ühel kalmoduliini molekulil on 4 kaltsiumi siduvat kohta. Pärast interaktsiooni Ca +2-ga tekivad kalmoduliini molekulis konformatsioonilised muutused ja kompleks "Ca +2 -kalmoduliin" muutub võimeliseks reguleerima (allosteeriliselt inhibeerima või aktiveerima) paljude ensüümide aktiivsust - adenülaattsüklaas, fosfodiesteraas, Ca +2, Mg + 2-ATPaas ja mitmesugused proteiinkinaasid.

Erinevates rakkudes, kui kompleks "Ca +2-kalmoduliin" puutub kokku sama ensüümi isoensüümidega (näiteks adenülaattsüklaas erinevat tüüpi) mõnel juhul täheldatakse aktiveerimist ja teistel cAMP moodustumise reaktsiooni pärssimist. Sellised erinevad mõjud ilmnevad seetõttu, et isoensüümide allosteerilised keskused võivad sisaldada erinevaid aminohapperadikaale ja nende reaktsioon Ca + 2 -kalmoduliini kompleksi toimele on erinev.

Seega võib "teise sõnumitoojate" roll hormoonide signaalide edastamisel sihtrakkudes olla:

tsüklilised nukleotiidid (c-AMP ja c-GMP);

Ca ioonid;

Kompleks "Sa-kalmoduliin";

diatsüülglütseriin;

Inositooltrifosfaat

Nende vahendajate abil on olemas mehhanismid sihtrakkudes sisalduvate hormoonide teabe edastamiseks ühiseid jooni:

1. üks signaali edastamise etappe on valgu fosforüülimine;

2. aktiveerimise lõpetamine toimub protsessides osalejate endi poolt algatatud spetsiaalsete mehhanismide tulemusena - on negatiivse tagasiside mehhanismid.

Hormoonid on organismi füsioloogiliste funktsioonide peamised humoraalsed regulaatorid ning nende omadused, biosünteesiprotsessid ja toimemehhanismid on nüüdseks hästi teada.