一般的な表現シグナル伝達経路について
ほとんどの調節分子では、膜受容体への結合と細胞の最終応答の間、つまり その働きを変えることにより、複雑な一連のイベントがくさび状になります - 特定の信号伝達経路、そうでなければ呼ばれます シグナル伝達経路。
調節物質は通常、内分泌、神経分泌、傍分泌に分けられます。 内分泌レギュレーター (ホルモン)目立つ 内分泌細胞血液中に入り、体内のどこにでもある標的細胞に運ばれます。 神経分泌調節因子は、標的細胞に近接したニューロンによって放出されます。 パラクリン物質は標的から少し離れて放出されますが、それでも受容体に到達するのに十分近いです。 パラクリン物質は、あるタイプの細胞から分泌され、別のタイプの細胞に作用しますが、場合によっては、レギュレーターはそれらを分泌した細胞、または同じタイプの隣接細胞を標的とします。 いわゆる 自己分泌規制。
場合によっては、シグナル伝達の最終段階は、特定のエフェクタータンパク質のリン酸化で構成され、その活性が増加または阻害されます。これにより、体に必要な細胞応答が決定されます。 タンパク質のリン酸化が行われます プロテインキナーゼ、と脱リン酸化 プロテインホスファターゼ。
プロテインキナーゼ活性の変化は、調節分子（一般に リガンド)その膜受容体は、イベントのカスケードを引き起こします。その一部を図に示します (図 2-1)。 さまざまなプロテインキナーゼの活性は、受容体によって直接ではなく、 二次メッセンジャー（二次仲介者）、たとえば、 サイクリック AMP (cAMP)、サイクリック GMP (cGMP)、Ca 2+ 、イノシトール-1,4,5-三リン酸 (IP 3)と ジアシルグリセロール (DAG)。この場合、リガンドが膜受容体に結合すると、セカンドメッセンジャーの細胞内レベルが変化し、それがプロテインキナーゼの活性に影響を与えます。 多くのレギュレーター
特定の分子は、シグナル伝達経路を介して細胞プロセスに影響を与えます。 ヘテロ三量体 GTP 結合タンパク質 (ヘテロ三量体 G タンパク質)また 単量体 GTP 結合タンパク質 (単量体 G タンパク質)。
ヘテロ三量体 G タンパク質と相互作用する膜受容体にリガンド分子が結合すると、G タンパク質は GTP に結合することによって活性状態に切り替わります。 活性化された G タンパク質は、多くのタンパク質と相互作用することができます。 エフェクタータンパク質。特に酵素など アデニル酸シクラーゼ、ホスホジエステラーゼ、ホスホリパーゼ C、A 2と D.この相互作用は、さまざまなプロテインキナーゼの活性化をもたらす一連の反応を引き起こします (図 2-1)。 プロテインキナーゼA (PKA)、プロテインキナーゼG (PKG)、プロテインキナーゼC (PIS)。
大まかに言うと、G タンパク質 - プロテインキナーゼが関与するシグナル伝達経路には、次のステップが含まれます。
1. リガンドは細胞膜上の受容体に結合します。
2. G タンパク質と相互作用するリガンド結合受容体が G タンパク質を活性化し、活性化された G タンパク質が GTP に結合します。
3. 活性化された G タンパク質は、次の化合物の 1 つまたは複数と相互作用します: アデニル酸シクラーゼ、ホスホジエステラーゼ、ホスホリパーゼ C、A 2 、D、それらを活性化または阻害します。
４．ｃＡＭＰ、ｃＧＭＰ、Ｃａ ２＋ 、ＩＰ ３ またはＤＡＧなどの１つまたは複数のセカンドメッセンジャーの細胞内レベルが増加または減少する。
5. セカンドメッセンジャーの濃度の増減は、cAMP 依存性プロテインキナーゼ (プロテインキナーゼ A)、cGMP 依存性プロテインキナーゼ (PCG)、 カルモジュリン依存性プロテインキナーゼ(CMPC)、プロテイン キナーゼ C。セカンド メッセンジャーの濃度が変化すると、1 つまたは別のイオン チャネルが活性化されます。
6. 酵素またはイオン チャネルのリン酸化レベルが変化し、イオン チャネルの活性に影響を与え、細胞の最終的な反応を引き起こします。
米。 2-1. 二次メディエーターによって細胞内で実現されるイベントのカスケード。
指定: * - 活性化酵素
Gタンパク質に関連する膜受容体
アゴニスト依存性の G タンパク質の活性化を仲介する膜受容体は、500 を超えるメンバーを持つタンパク質の特別なファミリーを構成します。 これには、α-およびβ-アドレナリン、ムスカリン性アセチルコリン、セロトニン、アデノシン、嗅覚受容体、ロドプシン、およびほとんどのペプチド ホルモンの受容体が含まれます。 G タンパク質共役受容体ファミリーのメンバーは、7 つの膜貫通型 α ヘリックス (図 2-2A) を持ち、それぞれが 22-28 の主に疎水性のアミノ酸残基を含んでいます。
アセチルコリン、エピネフリン、ノルエピネフリン、セロトニンなどのいくつかのリガンドについては、さまざまな G タンパク質共役受容体サブタイプが知られています。 それらは、競合するアゴニストとアンタゴニストに対する親和性が異なることがよくあります。
以下は、cAMP（最初に発見されたセカンドメッセンジャー）を産生する酵素であるアデニル酸シクラーゼの分子構造です（図2-2 B）。 アデニル酸シクラーゼ調節経路は、古典的な G タンパク質を介したシグナル伝達経路と考えられています。
アデニル酸シクラーゼは、G タンパク質を介したシグナル伝達経路の正または負の制御の基礎として機能します。 陽性対照では、β-アドレナリン受容体を介して作用するエピネフリンなどの刺激性リガンドの結合により、as 型の α サブユニットを持つヘテロ三量体 G タンパク質が活性化されます (「s」は刺激を表します)。 リガンド共役受容体による Gs タイプ G タンパク質の活性化により、その as サブユニットが GTP に結合し、βγ-二量体から解離します。
図 2-2B は、ホスホリパーゼ C がホスファチジルイノシトール 4,5-二リン酸をイノシトール-1,4,5-三リン酸とジアシルグリセロールに切断する様子を示しています。 イノシトール-1,4,5-三リン酸とジアシルグリセロールの両方の物質は、セカンドメッセンジャーです。 IP3 は、小胞体の特定のリガンド依存性 Ca 2+ チャネルに結合し、そこから Ca 2+ を放出します。 サイトゾルの Ca 2+ 濃度を増加させます。 ジアシルグリセロールは Ca 2+ と一緒に別のものを活性化します 重要なクラスプロテインキナーゼ - プロテインキナーゼC.
次に、いくつかのセカンド メッセンジャーの構造を示します (図 2-2 D-F): cAMP、GMF、
cGMP。
米。 2-2. シグナル伝達経路に関与するいくつかの構造の分子構成の例。
A は細胞膜受容体であり、外側表面のリガンドに結合し、内側にヘテロ三量体 G タンパク質を結合します。 B - アデニル酸シクラーゼの分子構成。 B - ホスホリパーゼ C とジアシルグリセロールの作用下で形成されるホスファチジルイノシトール-4,5-二リン酸とイノシトール-1,4,5-三リン酸の構造。 D - 3",5"-サイクリック AMP (プロテインキナーゼ A の活性化因子) の構造。 D - HMFの構造。 E - 3",5"-環状 GMF (プロテインキナーゼ G の活性化因子) の構造
ヘテロ三量体 G タンパク質
ヘテロ三量体 G タンパク質は、α (40,000 ～ 45,000 Da)、β (約 37,000 Da)、および γ (8,000 ～ 10,000 Da) の 3 つのサブユニットで構成されます。 現在、これらのサブユニットをコードする約 20 の異なる遺伝子が知られています。これには、少なくとも 4 つの哺乳類の β サブユニット遺伝子と約 7 つの哺乳類の γ サブユニット遺伝子が含まれます。 G タンパク質の機能と特異性は通常、常にではありませんが、α サブユニットによって決定されます。 ほとんどの G タンパク質では、β サブユニットと γ サブユニットがしっかりと結合しています。 いくつかのヘテロ三量体 G タンパク質とそれらが関与する伝達経路を表 1 に示します。 2-1.
ヘテロ三量体 G タンパク質は、100 を超える細胞外調節物質の原形質膜受容体と、それらが制御する細胞内プロセスとの間を仲介します。 一般的に言えば、調節物質がその受容体に結合すると、Gタンパク質が活性化され、酵素が活性化または阻害され、および/または特定のイオンチャネルの活性化につながる一連のイベントが引き起こされます。
図上。 2-3 発表 一般原則ヘテロ三量体Gタンパク質の働き。 ほとんどの G タンパク質では、α サブユニットがヘテロ三量体 G タンパク質の「作業単位」です。 ほとんどの G タンパク質が活性化されると、このサブユニットの立体構造が変化します。 不活性な G タンパク質は、主に αβγ ヘテロ三量体の形で存在します。
ヌクレオチド結合位置でGDPを使用。 ヘテロ三量体 G タンパク質とリガンド結合受容体との相互作用により、α サブユニットが、GTP に対する親和性が増加し、βγ複合体に対する親和性が低下した活性型に変換されます。 その結果、活性化されたαサブユニットはGDPを放出し、GTPを付着させた後、βγ二量体から解離します。 ほとんどの G タンパク質では、解離した α サブユニットがシグナル伝達経路でエフェクタータンパク質と相互作用します。 ただし、一部の G タンパク質では、放出された βγ-二量体が受容体-リガンド複合体の一部またはすべての影響を担っている可能性があります。
一部のイオン チャネルの動作は、G タンパク質によって直接調節されます。 二次メッセンジャーの参加なし。 例えば、アセチルコリンが心臓と一部のニューロンのムスカリン M 2 受容体に結合すると、K + チャネルの特別なクラスが活性化されます。 この場合、アセチルコリンがムスカリン受容体に結合すると、Gタンパク質が活性化されます。 次に、活性化されたαサブユニットがβγ二量体から分離し、βγ二量体が特別なクラスのK + チャネルと直接相互作用して、それらを開放状態にします。 心臓の洞房結節のペースメーカー細胞の K+ コンダクタンスを増加させるムスカリン受容体へのアセチルコリンの結合は、副交感神経が心拍数の減少を引き起こす主なメカニズムの 1 つです。
米。 2-3. ヘテロ三量体 GTP 結合タンパク質 (ヘテロ三量体 G タンパク質) の動作原理。
表 2-1.αサブユニットに基づいて分類されたいくつかのヘテロ三量体哺乳類GTP結合タンパク質*
* α-サブユニットの各クラス内で、いくつかのアイソフォームが区別されます。 20 以上の α サブユニットが特定されています。
単量体 G タンパク質
細胞には、GTP 結合タンパク質の別のファミリーが含まれています。 単量体 GTP結合タンパク質。 彼らはとしても知られています 低分子量のGタンパク質また 小さなGタンパク質(分子量 20,000-35,000 Da)。 表 2-2 に、単量体 GTP 結合タンパク質の主なサブクラスとその特性の一部を示します。 Ras 様および Rho 様の単量体 GTP 結合タンパク質は、増殖因子受容体チロシンキナーゼから細胞内エフェクターへのシグナル伝達の段階で、シグナル伝達経路に関与しています。 単量体の GTP 結合タンパク質が関与するシグナル伝達経路によって調節されるプロセスには、タンパク質合成中のポリペプチド鎖の伸長、細胞の増殖と分化、それらの悪性化、アクチン細胞骨格の制御、細胞骨格間のコミュニケーションがあります。
および細胞外マトリックス、異なるオルガネラ間の小胞の輸送、およびエキソサイトーシス分泌。
単量体 GTP 結合タンパク質は、対応するヘテロ三量体と同様に、活性化された「オン」と不活性化された「オフ」の 2 つの形態で存在する分子スイッチです (図 2-4 B)。 ただし、単量体 GTP 結合タンパク質の活性化と不活性化には追加の調節タンパク質が必要ですが、これは、私たちが知る限り、ヘテロ三量体 G タンパク質の操作には必要ありません。 単量体Gタンパク質が活性化される グアニンヌクレオチド放出タンパク質、しかし、不活性化されています GTPase 活性化タンパク質。したがって、単量体 GTP 結合タンパク質の活性化と不活性化は、活性を変化させるシグナルによって制御されます。 グアニンヌクレオチド放出タンパク質また GTPase活性化タンパク質単量体 G タンパク質に対する直接的な作用ではなく、
米。 2-4. 単量体 GTP 結合タンパク質 (単量体 G タンパク質) の動作原理。
表 2-2。単量体 GTP 結合タンパク質のサブファミリーとそれらによって調節されるいくつかの細胞内プロセス
ヘテロ三量体Gタンパク質の働きのメカニズム
不活性な G タンパク質は、主に αβγ ヘテロ三量体の形で存在し、そのヌクレオチド結合位置に GDP があります (図 2-5A)。 ヘテロ三量体 G タンパク質とリガンド結合受容体との相互作用により、α サブユニットが活性型に変換され、GTP に対する親和性が増加し、βγ複合体に対する親和性が減少します (図 2-5 B)。 ）。 ほとんどのヘテロ三量体 G タンパク質では、情報伝達構造は α サブユニットです。 ほとんどの G タンパク質が活性化されると、α サブユニットの立体構造が変化します。
その結果、活性化されたαサブユニットはGDPを放出し、GTPを付着させ（図2-5C）、βγダイマーから解離します（図2-5D）。 ほとんどの G タンパク質では、解離した α サブユニットは、シグナル伝達経路でエフェクタータンパク質 (E 1) と即座に相互作用します (図 2-5D)。 ただし、一部の G タンパク質では、放出された βγ-二量体が受容体-リガンド複合体の影響のすべてまたは一部を担っている可能性があります。 次に、βγダイマーはエフェクタータンパク質E 2 と相互作用します（図2-5 E）。 さらに、G タンパク質の RGS ファミリーのメンバーが GTP の加水分解を刺激することが示されています (図 2-5 E)。 これによりαサブユニットが不活性化され、すべてのサブユニットが結合してαβγヘテロ三量体になります。
米。 2-5. ヘテロ三量体 G タンパク質の働きのサイクル。α -サブユニット。
表記：R - 受容体、L - リガンド、E - エフェクタータンパク質
ヘテロ三量体 G タンパク質を介したシグナル伝達経路
図 2-6A は、3 つのリガンド、異なる G タンパク質に関連するそれらの受容体、およびそれらの分子標的を示しています。 アデニル酸シクラーゼは、G タンパク質によって媒介されるシグナル伝達経路の正または負の制御の基礎となります。 陽性対照では、β-アドレナリン受容体を介して作用するノルエピネフリンなどの刺激性リガンドの結合が、α-S タイプ α-サブユニット (「s」は刺激を表す) を持つヘテロ三量体 G タンパク質の活性化につながります。 したがって、そのようなＧタンパク質は、ＧＳ型Ｇタンパク質と呼ばれる。 リガンド共役受容体による G s タイプ G タンパク質の活性化により、α s サブユニットが GTP に結合し、β γ 二量体から解離します。
α 2 受容体を介して作用するエピネフリン、α 1 受容体を介して作用するアデノシン、D 2 受容体を介して作用するドーパミンなどの他の調節物質は、アデニル酸シクラーゼの負の制御または阻害制御に関与しています。 これらの調節物質は、α i タイプのαサブユニットを有する G i タイプの G タンパク質を活性化します (「i」は阻害を表します)。 阻害性リガンドのそのへの結合
受容体は G i タイプの G タンパク質を活性化し、その α i サブユニットを βγ 二量体から解離させます。 活性化されたα i サブユニットはアデニル酸シクラーゼに結合し、その活性を阻害します。 さらに、βγ二量体は、遊離のα s サブユニットに結合することができます。 このように、遊離α s サブユニットへのβγ二量体の結合は、刺激性リガンドの作用を遮断することにより、アデニル酸シクラーゼの刺激をさらに抑制する。
別のクラスの細胞外アゴニスト (図 2-6 A) は、ホスホリパーゼ C の β-アイソフォームである G q と呼ばれる G タンパク質を介して活性化する受容体に結合します。二次メッセンジャーであるイノシトール-1,4,5-三リン酸およびジアシルグリセロールに変換されます。 IP 3 は、小胞体の特定のリガンド依存性 Ca 2+ チャネルに結合し、そこから Ca 2+ を放出します。 サイトゾルの Ca 2+ 濃度を増加させます。 小胞体の Ca 2+ チャネルは、骨格筋と心筋の電気機械結合に関与しています。 ジアシルグリセロールは Ca 2+ とともにプロテインキナーゼ C を活性化します。その基質には、例えば、細胞分裂の調節に関与するタンパク質が含まれます。
米。 2-6. ヘテロ三量体 G タンパク質を介したシグナル伝達経路の例。
A - 与えられた 3 つの例では、神経伝達物質が受容体に結合すると、G タンパク質が活性化され、続いてセカンドメッセンジャー経路が含まれます。 G s 、G q 、および G i は 3 を意味します さまざまな種類ヘテロ三量体 G タンパク質。 B - リン酸化による細胞タンパク質の調節は、それらの活性の増加または阻害につながり、これにより、身体に必要な細胞応答が決定されます。 タンパク質のリン酸化はプロテインキナーゼによって行われ、脱リン酸化はプロテインホスファターゼによって行われます。 プロテインキナーゼは、リン酸基 (Pi) を ATP からタンパク質のセリン、スレオニン、またはチロシン残基に転移します。 このリン酸化は、細胞タンパク質の構造と機能を可逆的に変化させます。 キナーゼとホスファターゼの両方のタイプの酵素は、異なる細胞内セカンドメッセンジャーによって調節されています。
細胞内プロテインキナーゼの活性化経路
ヘテロ三量体 G タンパク質とリガンド結合受容体との相互作用により、α サブユニットが活性型に変換され、GTP に対する親和性が高まり、βγ複合体に対する親和性が低下します。 ほとんどの G タンパク質が活性化されると、α サブユニットの立体構造が変化し、GDP が放出され、GTP が結合して、βγ 二量体から解離します。 さらに、解離したαサブユニットは、シグナル伝達経路でエフェクタータンパク質と相互作用します。
図 2-7A は、受容体のリガンドへの結合により発生し、G s 型の α s サブユニットがGタンパク質はGTPに結合した後、βγ二量体から解離し、 アデニル酸シクラーゼ。これにより、cAMP レベルと PKA 活性化が増加します。
図 2-7B は、受容体のリガンドへの結合により発生し、G t 型の α t サブユニットがGタンパク質は活性化された後、βγダイマーから解離し、相互作用します。 ホスホジエステラーゼ。これにより、cGMP レベルが上昇し、PKG が活性化されます。
α 1 カテコールアミン受容体は、ホスホリパーゼ C を活性化する G αq サブユニットと相互作用します。そして、Gタンパク質Gαq型のαqサブユニットが活性化され、βγ二量体から解離し、 ホスホリパーゼC。これは、ホスファチジルイノシトール-4,5-二リン酸を IP 3 と DAG に切断します。 これにより、IP 3 と DAG のレベルが上昇します。 IP 3 、小胞体の特定のリガンド依存性 Ca 2+ チャネルへの結合、
そこから Ca 2+ を放出します。 DAG はプロテインキナーゼ C の活性化を引き起こします。刺激を受けていない細胞では、かなりの量のこの酵素が不活性な形でサイトゾルに存在します。 Ca 2+ は、プロテインキナーゼ C を原形質膜の内面に結合させます。 ここで、酵素は、ホスファチジルイノシトール-4,5-二リン酸の加水分解中に形成されるジアシルグリセロールによって活性化されます。 膜ホスファチジルセリンは、酵素が膜にある場合、プロテインキナーゼ C の活性化因子にもなります。
タンパク質キナーゼ C の約 10 のアイソ フォームが記載されています.それらのいくつかは多くの哺乳動物細胞に存在しますが、γ および ε サブタイプは主に中枢神経系の細胞に見られます。 神経系. プロテインキナーゼCのサブタイプは、体全体の分布だけでなく、明らかにそれらの活性の調節メカニズムも異なります。 刺激されていない細胞のそれらのいくつかは原形質膜に関連しています。 活性化のために Ca 2+ の濃度を上げる必要はありません。 一部のプロテインキナーゼ C アイソフォームは、アラキドン酸またはその他の不飽和脂肪酸によって活性化されます。
プロテインキナーゼ C の最初の短期間の活性化は、ホスホリパーゼ C β が活性化されたときに放出されるジアシルグリセロールの作用下で、また IP 3 によって細胞内貯蔵から放出された Ca 2+ の影響下で発生します。 プロテインキナーゼ C の持続的な活性化は、受容体依存性ホスホリパーゼ A 2 および D によって引き起こされます。これらは主に、主要な膜リン脂質であるホスファチジルコリンに作用します。 ホスホリパーゼ A 2 は、2 番目の位置にある脂肪酸 (通常は不飽和) とリゾホスファチジルコリンを分離します。 これらの産物は両方とも、プロテインキナーゼ C の特定のアイソフォームを活性化します。受容体依存性ホスホリパーゼ D は、ホスファチジルコリンを切断して、ホスファチジン酸とコリンを形成します。 ホスファチジン酸はさらに、プロテインキナーゼCの長期刺激に関与するジアシルグリセロールに切断されます.
米。 2-7. プロテインキナーゼA、プロテインキナーゼG、プロテインキナーゼCの活性化の基本原理。
指定: R - 受容体、L - リガンド
cAMP 依存性プロテインキナーゼ (プロテインキナーゼ A) および関連するシグナル伝達経路
cAMP が存在しない場合、cAMP 依存性プロテイン キナーゼ (プロテイン キナーゼ A) は 4 つのサブユニットから構成されます。 ほとんどの細胞タイプでは、触媒サブユニットは同じですが、調節サブユニットは非常に特異的です。 調節サブユニットの存在は、複合体の酵素活性をほぼ完全に抑制します。 したがって、cAMP依存性プロテインキナーゼの酵素活性の活性化には、複合体からの調節サブユニットの分離が必要です。
活性化は、マイクロモル濃度の cAMP の存在下で発生します。 各調節サブユニットは、その分子の 2 つに結合します。 cAMP の結合は、調節サブユニットの構造変化を誘発し、触媒サブユニットとの相互作用の親和性を低下させます。 その結果、調節サブユニットが触媒サブユニットから分離され、触媒サブユニットが活性化される。 活性触媒サブユニットは、特定のセリンおよびスレオニン残基で標的タンパク質をリン酸化します。
タンパク質キナーゼの cAMP 依存性および他のクラスのアミノ酸配列の比較は、それらの調節特性の大きな違いにもかかわらず、これらすべての酵素が中間部分の一次構造において高度に相同であることを示しています。 この部分には、ATP結合ドメインと酵素の活性部位が含まれており、ATPからアクセプタータンパク質へのリン酸の移動を確実にします。 このタンパク質の触媒コアの外側にあるキナーゼのプロットは、キナーゼ活性の調節に関与しています。
cAMP依存性プロテインキナーゼの触媒サブユニットの結晶構造も決定されています。 知られているすべてのプロテインキナーゼに存在する分子の触媒中央部分は、2 つのローブで構成されています。 より小さな割合には異常な ATP 結合部位が含まれ、より大きな割合にはペプチド結合部位が含まれます。 多くのプロテインキナーゼには、 偽基質ドメイン。アミノ酸配列によると、基質タンパク質のリン酸化領域に似ています。 偽基質ドメインは、プロテインキナーゼの活性部位に結合することにより、プロテインキナーゼの真の基質のリン酸化を阻害します。 キナーゼ活性化には、偽基質ドメインの阻害効果を排除するためのプロテインキナーゼのリン酸化または非共有結合アロステリック修飾が含まれる場合があります。
米。 2-8. cAMP依存性プロテインキナーゼAと標的。
エピネフリンが適切な受容体に結合すると、α s サブユニットの活性化によってアデニル酸シクラーゼが刺激され、cAMP レベルが上昇します。 cAMP はプロテイン キナーゼ A を活性化し、リン酸化によって 3 つの主な効果をもたらします。 (1)プロテインキナーゼAは、グリコーゲンホスホリラーゼをリン酸化して活性化するグリコーゲンホスホリラーゼキナーゼを活性化します。 (2)プロテインキナーゼAはグリコーゲンシンターゼを不活性化し、グリコーゲン産生を減少させます。 (3)プロテインキナーゼAは、ホスホプロテインホスファターゼ-1阻害剤を活性化し、それによってホスファターゼを阻害します。 全体的な効果は、グルコースレベルの変化を調整することです.
指定: UDP-グルコース - ウリジン二リン酸グルコース
アデニル酸シクラーゼ活性のホルモン調節
図 2-9A は、ホルモンによるアデニル酸シクラーゼの刺激と阻害の主なメカニズムを示しています。 α s タイプ α サブユニットに関連する受容体とのリガンドの相互作用 (刺激性) は、アデニル酸シクラーゼの活性化を引き起こしますが、α i タイプ α サブユニットに関連する受容体とのリガンドの相互作用 (阻害性) は、アデニル酸シクラーゼの阻害を引き起こします。酵素。 G βγ サブユニットは、刺激性および抑制性 G タンパク質の両方で同一です。 G α サブユニットと受容体は異なります。 活性ＧαＧＴＰ複合体のリガンド刺激形成は、ＧαｓおよびＧαｉタンパク質の両方において同じ機構を介して起こる。 しかし、G αs GTP と G αi GTP は、アデニル酸シクラーゼと異なる方法で相互作用します。 一方 (G αs GTP) はその触媒活性を刺激し、もう一方 (G αi GTP) はその触媒活性を阻害します。
図2-9Bは、特定のホルモンによって誘導されるアデニル酸シクラーゼの活性化および阻害のメカニズムを示しています。 β 1 -、β 2 - および D 1 -受容体は、アデニル酸シクラーゼを活性化し、cAMP のレベルを増加させるサブユニットと相互作用します。 α 2 および D 2 受容体は、アデニル酸シクラーゼを阻害する G αi サブユニットと相互作用します。 (α 1 受容体に関しては、ホスホリパーゼ C を活性化する G サブユニットと相互作用します。) 図に示されている例の 1 つを考えてみましょう。 アドレナリンはβ 1 受容体に結合し、アデニル酸シクラーゼを刺激する G αs タンパク質の活性化につながります。 これにより、cAMP の細胞内レベルが上昇し、PKA の活性が高まります。 一方、ノルエピネフリンはα 2 受容体に結合し、G αi タンパク質の活性化を引き起こし、アデニル酸シクラーゼを阻害して細胞内の cAMP レベルを低下させ、PKA の活性を低下させます。
米。 2-9. リガンド（ホルモン）によるアデニル酸シクラーゼの活性化と阻害。
A は基本的なメカニズムです。 B - 特定のホルモンに関連するメカニズム
プロテインキナーゼ C および関連するシグナル伝達経路
α 1 受容体は、ホスホリパーゼ C を活性化する G タンパク質の G αq サブユニットと相互作用します。ホスホリパーゼ C は、ホスファチジルイノシトール 4,5-二リン酸を IP 3 と DAG に切断します。 IP 3 は、小胞体の特定のリガンド依存性 Ca 2+ チャネルに結合し、そこから Ca 2+ を放出します。 サイトゾルの Ca 2+ 濃度を増加させます。 DAG は、プロテイン キナーゼ C の活性化を引き起こします。刺激されていない細胞では、この酵素は不活性状態でサイトゾルにあります。
形。 Ca 2+ のサイトゾルレベルが上昇すると、Ca 2+ はプロテインキナーゼ C と相互作用し、プロテインキナーゼ C が細胞膜の内面に結合します。 この位置では、酵素は、ホスファチジルイノシトール-4,5-二リン酸の加水分解中に形成されるジアシルグリセロールによって活性化されます。 膜ホスファチジルセリンは、酵素が膜にある場合、プロテインキナーゼ C の活性化因子にもなります。
表 2-3 は、プロテインキナーゼ C の哺乳動物のアイソフォームと、これらのアイソフォームの特性を示しています。
表 2-3。哺乳動物タンパク質キナーゼ C アイソフォームの特性
DAG - ジアシルグリセロール; FS - ホスファチジルセリン; FFA - シス不飽和脂肪酸; LPC - リゾホスファチジルコリン。
米。 2-10。 ジアシルグリセロール/イノシトール-1,4,5-三リン酸シグナル伝達経路
例としてアラキドン酸を使用したホスホリパーゼおよび関連するシグナル伝達経路
一部のアゴニストは、G タンパク質を介して活性化します ホスホリパーゼA 2、膜リン脂質に作用します。 それらの反応の生成物は、プロテインキナーゼ C を活性化することができます。特に、ホスホリパーゼ A 2 は、リン脂質から 2 番目の位置にある脂肪酸を分離します。 いくつかのリン脂質がこの位置にアラキドン酸を含むという事実により、これらのリン脂質のホスホリパーゼ A 2 切断によって引き起こされ、かなりの量のアラキドン酸が放出されます。
ホスホリパーゼA 2 に関連する上記のアラキドン酸シグナル伝達経路は、直接と呼ばれる。 アラキドン酸の活性化の間接的な経路は、ホスホリパーゼ C β に関連しています。
アラキドン酸自体がエフェクター分子であり、さらに細胞内合成の前駆体としての役割を果たします。 プロスタグランジン、プロスタサイクリン、トロンボキサンと ロイコトリエン- 調節分子の重要なクラス。 アラキドン酸は、ジアシルグリセロールの分解生成物からも形成されます。
プロスタグランジン、プロスタサイクリン、トロンボキサンはアラキドン酸から合成されます。 シクロオキシゲナーゼ依存経路そしてロイコトリエン リポキシゲナーゼ依存経路。グルココルチコイドの抗炎症効果の 1 つは、まさにリン脂質からアラキドン酸を放出するホスホリパーゼ A 2 の阻害です。 アセチルサリチル酸(アスピリン ) および他の非ステロイド性抗炎症薬は、シクロオキシゲナーゼによるアラキドン酸の酸化を阻害します。
米。 2-11. アラキドン酸のシグナル伝達経路。
指定: PG - プロスタグランジン、LH - ロイコトリエン、GPETE - ヒドロペルオキシエイコサテトラエノエート、HETE - ヒドロキシエイコサテトラエノエート、EPR - 小胞体
カルモジュリン：構造と機能
神経伝達物質の放出、ホルモンの分泌、筋肉の収縮など、多くの重要な細胞プロセスは、サイトゾルの Ca 2+ レベルによって調節されています。 このイオンが細胞プロセスに影響を与える 1 つの方法は、カルモジュリンへの結合によるものです。
カルモジュリン- 分子量 16,700 のタンパク質 (図 2-12 A)。 それはすべての細胞に存在し、総タンパク質含有量の最大 1% を占めることもあります。 カルモジュリンは 4 つのカルシウムイオンに結合し (図 2-12 B および C)、その後、この複合体はさまざまな細胞内タンパク質の活性を調節しますが、その多くはプロテインキナーゼとは関係ありません。
カルモジュリンとの Ca 2+ 複合体は、カルモジュリン依存性プロテインキナーゼも活性化します。 特定のカルモジュリン依存性プロテインキナーゼは、ミオシン調節軽鎖、ホスホリラーゼ、伸長因子 II などの特定のエフェクタータンパク質をリン酸化します。 多機能カルモジュリン依存性プロテインキナーゼは、多数の核、細胞骨格、または膜タンパク質をリン酸化します。 キナーゼなどの一部のカルモジュリン依存性プロテインキナーゼ
ミオシン軽鎖とホスホリラーゼキナーゼは 1 つの細胞基質のみに作用しますが、他のものは多機能で複数の基質タンパク質をリン酸化します。
カルモジュリン依存性プロテインキナーゼ II は、神経系の主要なタンパク質に属します。 脳の一部の領域では、総タンパク質の最大 2% を占めています。 このキナーゼは、神経終末における Ca 2+ 濃度の増加がエキソサイトーシスによる神経伝達物質の放出を引き起こすメカニズムに関与しています。 その主な基質は、と呼ばれるタンパク質です。 シナプシン I神経終末に存在し、シナプス小胞の外面に関連しています。 シナプシン I が小胞に結合すると、エキソサイトーシスが防止されます。 シナプシン I のリン酸化により、小胞から切り離され、エキソサイトーシスによって神経伝達物質がシナプス間隙に放出されます。
ミオシン軽鎖キナーゼが奏でる 重要な役割平滑筋収縮の調節において。 平滑筋細胞のCa 2+ のサイトゾル濃度の増加は、ミオシン軽鎖キナーゼを活性化します。 ミオシン調節軽鎖のリン酸化は、平滑筋細胞の長期収縮につながります。
米。 2-12. カルモジュリン。
A - カルシウムを含まないカルモジュリン。 B - カルモジュリンおよびペプチド標的へのカルシウム結合。 B - リンク方式。
指定: EF - カルモジュリンの Ca 2+ 結合ドメイン
独自の酵素活性を持つ受容体 (触媒受容体)
ホルモンと成長因子は、膜の細胞質側で酵素活性を持つ細胞表面タンパク質に結合します。 図 2-13 は、5 つのクラスの触媒受容体を示しています。
膜貫通型の特徴的な例の一つ グアニル酸シクラーゼ活性を有する受容体、心房性ナトリウム利尿ペプチド（ANP）受容体。 ANP が結合する膜受容体は、考えられるシグナル伝達システムとは無関係です。 上記で、膜受容体に結合することによって、G s タンパク質を介してアデニル酸シクラーゼを活性化するか、またはG i を介してそれを阻害する細胞外アゴニストの作用について説明した。 受容体自体が受容体へのＡＮＰの結合によって刺激されるグアニル酸シクラーゼ活性を有するので、ＡＮＰの膜受容体は興味深い。
ＡＮＰ受容体は、細胞外ＡＮＰ結合ドメイン、単一の膜貫通ヘリックス、および細胞内グアニル酸シクラーゼドメインを有する。 ANPが受容体に結合すると、cGMPの細胞内レベルが上昇し、cGMP依存性プロテインキナーゼが刺激されます。 調節サブユニットと触媒サブユニットを持つ cAMP 依存性プロテイン キナーゼとは対照的に、cGMP 依存性プロテイン キナーゼの調節ドメインと触媒ドメインは同じポリペプチド鎖上にあります。 次に、cGMP 依存性キナーゼは細胞内タンパク質をリン酸化し、さまざまな細胞応答を引き起こします。
セリン-スレオニンキナーゼ活性を持つ受容体セリンおよび/またはスレオニン残基でのみタンパク質をリン酸化します。
Gタンパク質に共役しない膜受容体の別のファミリーは、独自のチロシンプロテインキナーゼ活性を持つタンパク質で構成されています。 受容体 独自のチロシンプロテインキナーゼ活性を持つグリコシル化された細胞外ドメインを持つタンパク質です。
チロシンプロテインキナーゼ活性を持つ膜貫通領域と細胞内ドメイン。 それらへのアゴニストの結合、例えば 神経成長因子（NGF）、特定のチロシン残基で特定のエフェクタータンパク質をリン酸化するチロシンプロテインキナーゼ活性を刺激します。 ほとんどの成長因子受容体は、NGF が結合すると二量体化します。 チロシンプロテインキナーゼ活性の出現につながるのは、受容体の二量体化です。 活性化された受容体は、多くの場合、自己リン酸化と呼ばれる自身をリン酸化します。
スーパーファミリーへ ペプチド受容体インスリン受容体と呼ばれています。 チロシンプロテインキナーゼでもあります。 インスリン受容体ファミリーに属する受容体のサブクラスでは、非リガンド受容体はジスルフィド結合二量体として存在します。 インスリンとの相互作用により、両方のモノマーの立体構造が変化し、インスリン結合が増加し、受容体チロシンキナーゼが活性化され、受容体の自己リン酸化が増加します。
ホルモンまたは成長因子がその受容体に結合すると、Ca 2+ の細胞質への侵入、Na + /H + 代謝の増加、アミノ酸および糖の取り込みの刺激、ホスホリパーゼ C β の刺激、加水分解など、さまざまな細胞応答が引き起こされます。ホスファチジルイノシトール二リン酸の。
受容体 成長ホルモン、プロラクチンと エリスロポエチン、受容体だけでなく インターフェロンそして多くの サイトカインプロテインキナーゼとして直接機能しません。 しかし、活性化後、これらの受容体は細胞内チロシンプロテインキナーゼとシグナル伝達複合体を形成し、細胞内効果を引き起こします。 そのため、それらは独自のチロシンプロテインキナーゼ活性を持つ真の受容体ではなく、単にそれらに結合します.
構造から、膜貫通型と推測できます。 チロシンプロテインホスファターゼも受容体であり、そのチロシン - タンパク質ホスファターゼ活性は細胞外リガンドによって調節されます。
米。 2-13. 触媒受容体。
A - グアニルシクラーゼ受容体、B - セリン - スレオニンキナーゼ活性を持つ受容体、C - 独自のチロシン - プロテインキナーゼ活性を持つ受容体、D - チロシン - プロテインキナーゼ活性に関連する受容体
インターフェロン受容体の例における受容体関連チロシンプロテインキナーゼ
インターフェロン受容体は直接プロテインキナーゼではありません。 活性化されると、これらの受容体は、細胞内効果を引き起こす細胞内チロシンプロテインキナーゼとシグナル伝達複合体を形成します。 つまり、それらは独自のチロシン-プロテインキナーゼ活性を持つ真の受容体ではなく、単純に結合するだけです。 受容体関連（受容体依存性）チロシンプロテインキナーゼ。
これらの受容体が作用するメカニズムは、ホルモンが受容体に結合して二量体化を引き起こすときに引き起こされます。 受容体二量体は 1 つまたは複数のメンバーに結合します ヤヌス-チロシンタンパク質キナーゼ (JAK) のファミリー。 JAK その後交差
受容体だけでなく、互いにリン酸化します。 シグナルトランスデューサーおよび転写活性化因子 (STAT) ファミリーのメンバーは、受容体-JAK 複合体のリン酸化ドメインに結合します。 STAT タンパク質は、JAK キナーゼによってリン酸化された後、シグナル伝達複合体から切り離されます。 最終的に、リン酸化された STAT タンパク質は二量体を形成し、核に向かって移動して特定の遺伝子の転写を活性化します。
各ホルモンに対する受容体の特異性は、結合してシグナル伝達複合体を形成する JAK または STAT ファミリーのメンバーの特異性に部分的に依存します。 場合によっては、シグナル伝達複合体は、受容体チロシンキナーゼによって使用されるアダプタータンパク質を介して、MAP-(マイトジェン活性化タンパク質) キナーゼカスケードも活性化します。 受容体チロシンキナーゼリガンド応答の一部には、JAK および STAT 経路も関与します。
米。 2-14. チロシンプロテインキナーゼ活性に関連する触媒受容体の例。 αによって活性化される受容体 -インターフェロン (A) およびγ -インターフェロン (B)
Ras 様単量体 G タンパク質とそれらを介した伝達経路
成長因子などのリガンドは、独自のチロシンプロテインキナーゼ活性を持つ受容体に結合し、10 段階のプロセスで転写が増加します。 Ras 様単量体 GTP 結合タンパク質独自のチロシンプロテインキナーゼ活性を持つ受容体（例えば、増殖因子受容体）から細胞内エフェクターへのシグナル伝達の段階で、シグナル伝達経路に関与します。 単量体 GTP 結合タンパク質の活性化と不活性化には、追加の調節タンパク質が必要です。 単量体 G タンパク質は、グアニン ヌクレオチド放出タンパク質 (GNRP) によって活性化され、GTPase 活性化タンパク質 (GAP) によって不活性化されます。
Ras ファミリーの単量体 GTP 結合タンパク質は、分裂促進リガンドとそのチロシンプロテインキナーゼ受容体の結合を媒介し、細胞増殖につながる細胞内プロセスを引き起こします。 Ras タンパク質が不活性な場合、細胞はチロシンキナーゼ受容体を介して作用する成長因子に反応しません。
Ras 活性化は、最終的に細胞増殖を促進する特定の遺伝子の転写につながるシグナル伝達経路を引き起こします。 Ras が活性化されると、MAP キナーゼ (MAPK) カスケードが応答に関与します。 プロテインキナーゼ C は、MAP キナーゼカスケードも活性化します。 したがって、MAPキナーゼカスケードは、細胞増殖を誘導するさまざまな効果の重要な収束点であると思われます。 さらに、プロテインキナーゼCとチロシンキナーゼの間にはクロスオーバーがあります。 例えば、ホスホリパーゼ C の γ アイソフォームは、活性化された Ras タンパク質に結合することによって活性化されます。 この活性化は、リン脂質加水分解の刺激中にプロテインキナーゼ C に転送されます。
図 2-15 は、10 ステップのメカニズムを示しています。
1. リガンドの結合により、受容体が二量体化します。
2. 活性化チロシンプロテインキナーゼ (RTK) は自身をリン酸化します。
3. GRB 2 (成長因子受容体結合タンパク質-2)、SH 2 含有タンパク質は、活性化された受容体のホスホチロシン残基を認識します。
4.GRB 2バインディングにはSOSが含まれています (7 人の息子)タンパク質グアニンヌクレオチドを交換します。
5.SOS は Ras を活性化し、Ras 上の GDP の代わりに GTP を形成します。
6. Ras-GTP活性複合体は、原形質膜に物理的に取り込まれて他のタンパク質を活性化します。 Ras-GTP 活性複合体は、Raf-1 セリン-スレオニンキナーゼ (マイトジェン活性化タンパク質、MAP として知られている) の N 末端部分と相互作用します。細胞核。
7. Raf-1 は、MAP キナーゼ キナーゼ (MAPKK) として知られる MEK というプロテイン キナーゼをリン酸化し、活性化します。 MEK は、チロシンおよびセリン/スレオニン残基の基質をリン酸化する多機能プロテインキナーゼです。
8.MEK は MAP キナーゼ (MAPK) をリン酸化します。これは細胞外シグナル調節キナーゼ (ERK 1、ERK 2) によっても引き起こされます。 MAPK の活性化には、隣接するセリン残基とチロシン残基での二重リン酸化が必要です。
9. MAPK は、有糸分裂刺激後に多くの細胞タンパク質をリン酸化するため、Ras 依存性シグナル伝達において重要なエフェクター分子として機能します。
10. 活性化されたMAPKは核に移動し、そこで転写因子をリン酸化します。 通常、活性化された Ras は MAP を活性化します。
それにリンクすることによって。 このカスケードは MAP キナーゼのリン酸化と活性化をもたらし、細胞分裂やその他の応答に重要な転写因子、タンパク質基質、その他のタンパク質キナーゼをリン酸化します。 Ras の活性化は、成長因子活性化受容体のホスホチロシン ドメインに結合するアダプタータンパク質に依存します。 これらのアダプタータンパク質は、Ras を活性化する GNRF (グアニンヌクレオチド交換タンパク質) に付着して活性化します。
米。 2-15. 独自のチロシンプロテインキナーゼ活性を持つ受容体からトリガーされる Ras 様単量体 G タンパク質による転写の調節
cAMP依存性DNA要素相互作用タンパク質（CREB）による転写調節
広く分布する転写因子である CREB は、通常、CRE と呼ばれる DNA の領域に関連付けられています。 (cAMP 応答要素)。刺激がない場合、CREB は脱リン酸化され、転写には影響しません。 キナーゼ (PKA、Ca 2+ /カルモジュリン キナーゼ IV、MAP キナーゼなど) の活性化を介した多数のシグナル伝達経路により、CREB がリン酸化されます。 リン酸化 CREB 結合 CBP(CREB結合タンパク質- 転写を刺激するドメインを持つ CREB 結合タンパク質)。 並行して、リン酸化はPP1を活性化します
（リン酸化タンパク質ホスファターゼ 1）、CREB を脱リン酸化し、転写停止を引き起こします。
CREB を介したメカニズムの活性化は、学習や記憶などの高次認知機能の実装に重要であることが示されています。
図 2-15 はまた、cAMP が存在しない場合、2 つの制御サブユニットと 2 つの触媒サブユニットの 4 つのサブユニットから構成される cAMP 依存性 PKA の構造を示しています。 調節サブユニットの存在は、複合体の酵素活性を阻害します。 cAMP の結合は、調節サブユニットのコンフォメーション変化を誘発し、その結果、調節サブユニットが触媒サブユニットから分離されます。 触媒性 PKA は細胞核に入り、上記のプロセスを開始します。
米。 2-16. CREBによる遺伝子転写調節 (cAMP応答エレメント結合タンパク質)環状アデノシン一リン酸のレベルの増加による
簡単な説明：
生化学・分子生物学の教材：生体膜の構造と機能。
モジュール 4: 生体膜の構造と機能
_トピック _
4.1. 膜の一般的な特性。 膜の構造と組成
4.2. 膜を通過する物質の輸送
4.3. 膜貫通シグナル伝達 _
学習目標:
1. 代謝の調節、細胞内への物質の輸送、および代謝産物の除去における膜の役割を解釈します。
2. 説明する 分子メカニズム標的臓器に対するホルモンやその他のシグナル伝達分子の作用。
知る：
1. 生体膜の構造と、代謝とエネルギーにおけるその役割。
2. 膜を通して物質を移動させる主な方法。
3. ホルモン、メディエーター、サイトカイン、エイコサノイドの膜貫通シグナル伝達の主な構成要素と段階。
トピック 4.1。 膜の一般的特性。
膜の構造と組成
すべての細胞と細胞内オルガネラは膜に囲まれており、膜は構造の編成と機能において重要な役割を果たしています。 すべての膜の構造の基本原理は同じです。 しかし、小胞体、ゴルジ装置、ミトコンドリア、および核の膜と同様に、原形質膜には重要な構造的特徴があり、それらはその組成と機能の性質において独特です。
膜：
環境から細胞を分離し、コンパートメント (コンパートメント) に分割します。
物質の細胞やオルガネラへの輸送、およびその逆の輸送を調節します。
細胞間接触の特異性を提供します。
それらは環境から信号を受け取ります。
受容体、酵素、 輸送システム、細胞内の代謝を調節することにより、細胞の恒常性を維持し、外部環境の状態の変化に迅速に対応するのに役立ちます.
生体膜は、脂質とタンパク質が結合してできています。 非共有相互作用。 メンブレンのベースは 二重脂質層これにはタンパク質分子が含まれます（図4.1）。 脂質二重層は2列で形成される 両親媒性疎水性の「尾」が内側に隠されている分子と、親水性基 - 極性の「頭」が外側に向いており、水性媒体と接触しています。
1. 膜脂質。膜脂質には、飽和脂肪酸と不飽和脂肪酸の両方が含まれています。 不飽和脂肪酸は、飽和脂肪酸の 2 倍の頻度で存在します。 流動性膜および膜タンパク質の立体構造不安定性。
膜には主に 3 種類の脂質があります - リン脂質、糖脂質、コレステロールです (図 4.2 - 4.4)。 最も頻繁に見つかる グリセロリン脂質は、ホスファチジン酸の誘導体です。
米。 4.1. 原形質膜の断面
米。 4.2. グリセロリン脂質。
ホスファチジン酸はリン酸ジアシルグリセロールです。 R 1 、R 2 - 脂肪酸基 (疎水性の「テール」)。 多価不飽和脂肪酸残基は、グリセロールの 2 番目の炭素原子に結合しています。 極性の「頭」は、リン酸残基とそれに結合したセリン、コリン、エタノールアミンまたはイノシトールの親水基です。
脂質誘導体もあります アミノアルコールスフィンゴシン。
アシル化時のアミノアルコールスフィンゴシン、すなわち NH 2 基に脂肪酸が付くとセラミドになります。 セラミドは脂肪酸残基によって区別されます。 セラミドのOH基には、さまざまな極性基が結合している可能性があります。 極性「頭部」の構造に応じて、これらの誘導体はリン脂質と糖脂質の 2 つのグループに分けられます。 スフィンゴリン脂質（スフィンゴミエリン）の極性基の構造は、グリセロリン脂質に似ています。 ミエリン鞘には多くのスフィンゴミエリンが存在します。 神経線維. 糖脂質は、セラミドの炭水化物誘導体です。 炭水化物成分の構造に応じて、セレブロシドとガングリオシドが区別されます。
コレステロールすべての動物細胞の膜に見られ、膜を硬くし、それらを減らします 流動性（流動性）。 コレステロール分子は、リン脂質分子と糖脂質分子の疎水性の「テール」に平行な膜の疎水性ゾーンに位置しています。 コレステロールのヒドロキシル基、およびリン脂質と糖脂質の親水性の「頭」、
米。 4.3. アミノアルコールスフィンゴシンの誘導体。
セラミド - アシル化スフィンゴシン (R 1 - 脂肪酸基)。 リン脂質には、極性基がリン酸残基とコリン、エタノールアミンまたはセリンからなるスフィンゴミエリンが含まれます。 糖脂質の親水基 (極性「頭部」) は炭水化物残基です。 セレブロシドには、線状の単糖またはオリゴ糖残基が含まれています。 ガングリオシドの組成には分岐オリゴ糖が含まれており、そのモノマー単位の 1 つは NANK - N-アセチルノイラミン酸です。
水相に面しています。 膜中のコレステロールと他の脂質のモル比は 0.3 ～ 0.9 です。 この値は、細胞質膜の最高値です。
膜中のコレステロール含有量が増加すると、脂肪酸鎖の可動性が低下し、膜タンパク質の立体構造の不安定性に影響を与え、その可能性が低下します。 横方向の拡散。それらに対する親油性物質の作用または脂質過酸化によって引き起こされる膜流動性の増加に伴い、膜中のコレステロールの割合が増加します。
米。 4.4. リン脂質とコレステロールの膜の位置。
コレステロール分子は、剛性の疎水性コアと柔軟な炭化水素鎖で構成されています。 極性の「頭部」は、コレステロール分子の 3 番目の炭素原子にある OH 基です。 比較のために、膜リン脂質の模式図を図に示します。 これらの分子の極頭ははるかに大きく、電荷を持っています
膜の脂質組成は異なり、1つまたは別の脂質の含有量は、明らかに、これらの分子が膜で実行するさまざまな機能によって決定されます。
膜脂質の主な機能は次のとおりです。
それらは脂質二重層を形成します - 膜の構造的基礎です。
膜タンパク質の機能に必要な環境を提供します。
酵素活性の調節に参加します。
表面タンパク質の「アンカー」として機能します。
ホルモン信号の伝達に参加します。
脂質二重層の構造の変化は、膜機能の破壊につながる可能性があります。
2. 膜タンパク質。膜タンパク質は、膜内での位置が異なります (図 4.5)。 脂質二重層の疎水性領域と接触する膜タンパク質は、両親媒性でなければなりません。 非極性ドメインを持っています。 両親媒性は、次の事実により達成されます。
脂質二重層と接触するアミノ酸残基はほとんど無極性です。
多くの膜タンパク質は、脂肪酸残基に共有結合（アシル化）されています。
タンパク質に付着した脂肪酸のアシル残基は、膜内での「固定」と横方向の拡散の可能性を提供します。 さらに、膜タンパク質は、グリコシル化やリン酸化などの翻訳後修飾を受けます。 グリコシル化 外面内在性タンパク質は、細胞間スペースのプロテアーゼによる損傷からそれらを保護します.
米。 4.5. 膜タンパク質:
1、2 - 一体型（膜貫通）タンパク質。 3、4、5、6 - 表面タンパク質。 内在性タンパク質では、ポリペプチド鎖の一部が脂質層に埋め込まれています。 脂肪酸の炭化水素鎖と相互作用するタンパク質の部分には、主に非極性アミノ酸が含まれています。 極性「頭部」の領域に位置するタンパク質の領域は、親水性アミノ酸残基が豊富である。 表面タンパク質は、さまざまな方法で膜に付着しています。3 - 内在性タンパク質に関連しています。 4 - 脂質層の極「頭」に付着。 5 - 短い疎水性末端ドメインで膜に「固定」されています。 6 - 共有結合したアシル残基を使用して膜に「固定」
同じ膜の外層と内層では、脂質とタンパク質の組成が異なります。 膜の構造におけるこの特徴は呼ばれます 膜貫通非対称性。
膜タンパク質は以下に関与している可能性があります。
細胞内外への物質の選択的輸送。
ホルモンシグナルの伝達;
エンドサイトーシスとエキソサイトーシスに関与する「境界ピット」の形成。
免疫反応;
物質の変換における酵素として;
組織および器官の形成を提供する細胞間接触の構成。
トピック 4.2。 膜を介した物質の輸送
膜の主な機能の 1 つは、細胞内外への物質の移動の調節、細胞が必要とする物質の保持、および不要な物質の除去です。 膜を通る有機分子であるイオンの輸送は、濃度勾配に沿って起こります - 受動輸送そして濃度勾配に対して - アクティブトランスポート。
1. 受動輸送次の方法で実行できます（図4.6、4.7）。
米。 4.6. 濃度勾配に沿った膜通過物質移動機構
パッシブトランスポートは タンパク質チャネルを介したイオンの拡散、たとえば、H+、Ca 2+、N+、K+ の拡散。 ほとんどのチャネルの機能は、特定のリガンドまたは膜電位の変化によって調節されます。
米。 4.7. イノシトール-1,4,5-三リン酸 (IF 3) によって制御される小胞体膜の Ca2+ チャネル。
IP 3 (イノシトール-1,4,5-トリホスフェート) は、酵素ホスホリパーゼ C の作用下で膜脂質 PIF 2 (ホスファチジルイノシトール-4,5-ビスホスフェート) の加水分解中に形成されます。小胞体膜チャネルの Ca 2 + プロトマー。 タンパク質のコンフォメーションが変化し、チャネルが開きます - Ca 2 + は濃度勾配に沿って細胞のサイトゾルに入ります
2. 能動輸送。 プライマリ アクティブ輸送は、Na +、K + -ATPase、H + -ATPase、Ca 2 + -ATPase などの輸送 ATPase の関与による ATP エネルギーの消費により、濃度勾配に逆らって発生します (図 4.8)。 H + -ATPase は次のように機能します。 プロトンポンプ、細胞のリソソームに酸性環境を作り出します。 細胞質膜と小胞体の膜の Ca 2+ -ATPase の助けを借りて、細胞のサイトゾルのカルシウム濃度が低く維持され、Ca 2+ の細胞内デポがミトコンドリアと小胞体に作られます。網状。
セカンダリ アクティブ輸送は、輸送される物質の1つの濃度勾配によって発生します（図4.9）。これは、ATPの消費とともに機能するNa +、K + -ATPaseによって最も頻繁に作成されます。
濃度の高い物質のキャリアタンパク質の活性中心への付着は、そのコンフォメーションを変化させ、濃度勾配に逆らって細胞内を通過する化合物に対する親和性を高めます。 セカンダリ アクティブ トランスポートには次の 2 種類があります。 活動性交感神経と アンチポート。
米。 4.8. Ca 2 + -ATPaseの機能メカニズム
米。 4.9。 二次能動輸送
3.膜の関与による高分子と粒子の移動 - エンドサイトーシスとエキソサイトーシス。
タンパク質、核酸、多糖類、さらにはより大きな粒子などの高分子の細胞外環境から細胞への移動は、 エンドサイトーシス。物質または高分子複合体の結合は、原形質膜の特定の領域で発生します。 並ぶピット。隣接するピットに組み込まれた受容体の関与によって起こるエンドサイトーシスは、細胞が特定の物質を吸収することを可能にし、呼ばれます 受容体依存性エンドサイトーシス。
ペプチドホルモン、消化酵素、細胞外マトリックスタンパク質、リポタンパク質複合体などの高分子は、血液または細胞間空間に分泌されます。 エキソサイトーシス。この輸送モードにより、分泌顆粒に蓄積する物質を細胞から除去することが可能になります。 ほとんどの場合、エキソサイトーシスは、細胞の細胞質内のカルシウム イオンの濃度を変更することによって調節されます。
トピック 4.3。 膜貫通シグナル伝達
膜の重要な特性は、細胞内の環境からの信号を認識して伝達する能力です。 外部シグナルの細胞による知覚は、標的細胞の膜にある受容体と相互作用するときに発生します。 受容体は、シグナル分子を結合することにより、細胞内情報伝達経路を活性化し、さまざまな代謝プロセスの速度を変化させます。
1.シグナル分子、膜受容体と特異的に相互作用する プライマリーメッセンジャー。ホルモン、神経伝達物質、エイコサノイド、成長因子、または 物理的要因、光の量子など。 一次メッセンジャーによって活性化された細胞膜受容体は、受け取った情報をタンパク質と酵素のシステムに伝達します。 信号伝送カスケード,数百倍の信号増幅を提供します。 代謝プロセスの活性化または不活性化、筋肉の収縮、標的細胞からの物質の輸送からなる細胞の応答時間は、数分になることがあります。
膜 受容体次のように細分されます。
一次メッセンジャーとイオンチャネルを結合するサブユニットを含む受容体。
触媒活性を示すことができる受容体;
Gタンパク質の助けを借りて、サイトゾルの特定のタンパク質と酵素にシグナルを伝達する二次（細胞内）メッセンジャーの形成を活性化する受容体（図4.10）。
セカンドメッセンジャーは分子量が小さく、 高速細胞のサイトゾルに拡散し、対応するタンパク質の活性を変化させてから、すぐに分裂するか、サイトゾルから除去されます。
米。 4.10. 膜にある受容体。
膜受容体は 3 つのグループに分けることができます。 受容体: 1 - シグナル分子とイオン チャネルに結合するサブユニットを含みます。たとえば、シナプス後膜のアセチルコリン受容体です。 2 - シグナル分子、例えばインスリン受容体の添加後に触媒活性を示す。 3、4 - アドレナリン、アセチルコリン、その他のシグナル伝達分子のさまざまなタイプの受容体など、膜Gタンパク質の関与により、酵素アデニル酸シクラーゼ（AC）またはホスホリパーゼC（PLS）にシグナルを伝達する
役割 二次メッセンジャー分子とイオンを実行します。
CAMP (環状アデノシン-3",5"-一リン酸);
CGMP (環状グアノシン-3",5"-一リン酸);
IP 3 (イノシトール-1,4,5-三リン酸);
DAG (ジアシルグリセロール);
脂質二重層を通過するホルモン（ステロイドと甲状腺）があります。 セルに入ると対話する 細胞内受容体。膜受容体と細胞内受容体の生理学的に重要な違いは、着信信号に対する応答速度です。 最初のケースでは、効果は速くて短命であり、2番目のケースでは遅くなりますが長持ちします。
Gタンパク質共役受容体
ホルモンと G タンパク質共役受容体との相互作用は、イノシトールリン酸シグナル伝達システムの活性化、またはアデニル酸シクラーゼ調節システムの活性の変化につながります。
2. アデニル酸シクラーゼ系含まれています（図4.11）：
- 積分細胞質膜タンパク質:
R s - 一次メッセンジャーの受容体 - アデニル酸シクラーゼ系の活性化因子 (ACS);
R; - 一次メッセンジャーの受容体 - ACS阻害剤;
酵素アデニル酸シクラーゼ (AC)。
- 「錨を下ろした」タンパク質:
G s - α,βγ-サブユニットからなる GTP 結合タンパク質。ここで、(α,-サブユニットは GDP 分子に関連付けられています。
米。 4.11. アデニル酸シクラーゼ系の機能
G; -αβγサブユニットからなるGTP結合タンパク質。 -サブユニットは GDP 分子に関連付けられています。 - サイトゾルプロテインキナーゼ A (PKA) 酵素。
アデニル酸シクラーゼ系による一次メッセンジャーシグナル伝達の一連の事象
受容体は、膜の外面に一次メッセンジャーの結合部位と、膜の内面にGタンパク質（α、βγ-GDP）の結合部位を持っています。 ホルモンなどのアデニル酸シクラーゼ系の活性化因子と受容体（R s ）との相互作用は、受容体の立体構造の変化をもたらします。 G..-タンパク質に対する受容体の親和性が増加します。 ホルモン受容体複合体が GS-GDP に付着すると、GDP に対する G..-タンパク質の α サブユニットの親和性が低下し、GTP に対する親和性が増加します。 α 1 サブユニットの活性部位では、GDP が GTP に置き換わります。 これにより、αサブユニットのコンフォメーションが変化し、βγサブユニットに対する親和性が低下します。 切り離されたサブユニット α,-GTP は、膜の脂質層内を横方向に移動して酵素に向かいます アデニル酸シクラーゼ。
α,-GTP とアデニル酸シクラーゼの調節中心との相互作用は、酵素のコンフォメーションを変化させ、その活性化とセカンドメッセンジャー - サイクリックアデノシン-3,5'-モノホスフェート (cAMP) の形成速度の増加をもたらします。 ATPから。 細胞内のcAMP濃度が上昇します。 cAMP 分子は、2 つの調節 (R) サブユニットと 2 つの触媒 (C) サブユニット (R 2 C 2) で構成されるプロテイン キナーゼ A (PKA) の調節サブユニットに可逆的に結合できます。 複合体 R 2 C 2 には酵素活性がありません。 調節サブユニットへの cAMP の付着は、それらのコンフォメーションの変化と C サブユニットへの相補性の喪失を引き起こします。 触媒サブユニットは酵素活性を獲得します。
活性型プロテインキナーゼ A は、ATP の助けを借りて、特定のタンパク質のセリン残基とスレオニン残基をリン酸化します。 タンパク質と酵素のリン酸化は、それらの活性を増減させるため、それらが関与する代謝プロセスの速度が変化します。
R 受容体のシグナル伝達分子の活性化は、G..-タンパク質と同じ規則に従って進行する Gj-タンパク質の機能を刺激します。 しかし、α i -GTP サブユニットがアデニル酸シクラーゼと相互作用すると、酵素の活性が低下します。
アデニル酸シクラーゼとプロテインキナーゼAの不活化
GTP と複合体を形成している α サブユニットは、アデニル酸シクラーゼと相互作用すると、酵素 (GTP-ホスファターゼ) 活性を示し始め、GTP を加水分解します。 得られた GDP 分子は、α サブユニットの活性中心に留まり、立体構造を変化させ、AC に対する親和性を低下させます。 AC と α,-GDP の複合体は解離し、α,-GDP は G..-タンパク質に含まれます。 α,-GDP がアデニル酸シクラーゼから分離されると、酵素が不活性化され、cAMP 合成が停止します。
ホスホジエステラーゼ- 細胞質膜の「固定された」酵素は、以前に形成された cAMP 分子を AMP に加水分解します。 細胞内の cAMP 濃度の低下は、cAMP 4 K-2 複合体の切断を引き起こし、R サブユニットと C サブユニットの親和性を高め、PKA の不活性型が形成されます。
リン酸化酵素およびタンパク質 リンタンパク質ホスファターゼ脱リン酸化された形になると、それらのコンフォメーション、活性、およびこれらの酵素が関与するプロセスの速度が変化します。 その結果、システムは元の状態に戻り、ホルモンが受容体と相互作用するときに再び活性化される準備が整います. したがって、血液中のホルモン含有量と標的細胞の応答の強度との対応が保証されます。
3. 遺伝子発現の調節におけるアデニル酸シクラーゼ系の関与。多くのタンパク質ホルモン：グルカゴン、バソプレシン、副甲状腺ホルモンなどは、アデニル酸シクラーゼ系を介してシグナルを伝達し、細胞内にすでに存在する酵素のリン酸化によって反応速度を変化させるだけでなく、増加または減少させることもできます遺伝子発現を調節することによってそれらの数を増やします (図 4.12 )。 活性型プロテインキナーゼ A は核内に入り、転写因子 (CREB) をリン酸化することができます。 リン酸の加入
米。 4.12. 特定の遺伝子の発現に至るアデニル酸シクラーゼ経路
この残基は、DNA-CRE 調節ゾーン (cAMP 応答要素) の特定の配列に対する転写因子 (CREB-(P)) の親和性を高め、特定のタンパク質遺伝子の発現を刺激します。
合成されたタンパク質は、量の増加が代謝プロセスの反応速度を増加させる酵素、または特定のイオン、水、または他の物質の細胞への出入りを確実にする膜担体である可能性があります。
米。 4.13. イノシトールリン酸系
システムの働きはタンパク質によって提供されます：カルモジュリン、酵素プロテインキナーゼC、Ca 2 + -カルモジュリン依存性プロテインキナーゼ、調節された小胞体膜のCa 2 + チャネル、細胞およびミトコンドリア膜のCa 2 + -ATPase。
イノシトールリン酸系による一次メッセンジャーシグナル伝達の一連の事象
イノシトールリン酸系の活性化因子が受容体 (R) に結合すると、その立体構造が変化します。 Ｇｆ １ｓタンパク質に対する受容体の親和性が増加する。 一次メッセンジャー受容体複合体のGfl ls-GDPへの結合は、GDPに対するaf lsサブユニットの親和性を低下させ、GTPに対する親和性を増加させます。 アクティブ サイトでは、GDP の afl サブユニットが GTP に置き換えられます。 これにより、af lsサブユニットの立体構造が変化し、βγサブユニットに対する親和性が低下し、Gfl lsタンパク質の解離が起こる。 切り離されたサブユニット afl ls-GTP は、横方向に膜を横切って酵素に移動します。 ホスホリパーゼC。
aphls-GTP とホスホリパーゼ C の結合部位との相互作用は、酵素の構造と活性を変化させ、細胞膜リン脂質 - ホスファチジルイノシトール-4,5-ビスリン酸 (FIF 2) の加水分解速度を増加させます (図 4.14)。
米。 4.14. ホスファチジルイノシトール-4,5-ビスリン酸 (FIF 2) の加水分解
反応中に、ホルモンシグナルの二次メッセンジャー（二次メッセンジャー）の2つの生成物が形成されます：膜に残り、プロテインキナーゼC酵素の活性化に関与するジアシルグリセロール、およびイノシトール-1,4,5-三リン酸(IF 3) は、親水性化合物であり、サイトゾルに入ります。 したがって、細胞受容体によって受信された信号は分岐します。 IP 3 は、小胞体 (E) 膜の Ca 2+ チャネルの特定の中心に結合し、タンパク質のコンフォメーションの変化と Ca 2+ チャネルの開口をもたらします。 ER のカルシウム濃度はサイトゾルよりも約 3 ～ 4 桁高いため、Ca 2+ チャネルが開いた後、濃度勾配に沿ってサイトゾルに入ります。 サイトゾルにIF 3 が存在しない場合、チャネルは閉じている。
すべての細胞のサイトゾルには、カルモジュリンと呼ばれる小さなタンパク質が含まれており、これには 4 つの Ca 2+ 結合部位があります。 集中力が高まると
カルシウム、それは積極的にカルモジュリンに結合し、複雑な 4Са 2+ -カルモジュリンを形成します。 この複合体は、Ca 2+ -カルモジュリン依存性プロテインキナーゼおよび他の酵素と相互作用し、それらの活性を高めます。 活性化された Ca 2+ カルモジュリン依存性プロテインキナーゼは、特定のタンパク質や酵素をリン酸化し、その結果、それらの活性とそれらが関与する代謝プロセスの速度が変化します。
細胞のサイトゾル中の Ca 2+ の濃度が増加すると、Ca 2+ と不活性なサイトゾル酵素との相互作用の速度が増加します。 プロテインキナーゼC (PKC)。 PKC のカルシウムイオンへの結合は、原形質膜へのタンパク質の移動を刺激し、酵素が膜ホスファチジルセリン (PS) 分子の負に帯電した「頭部」と相互作用できるようにします。 プロテインキナーゼCの特定の部位を占めるジアシルグリセロールは、カルシウムイオンに対する親和性をさらに高めます。 上で 中身活性型の PKC (PKC? Ca 2 + ? PS? DAG) が形成され、特定の酵素をリン酸化します。
IF システムの活性化は短命であり、細胞が刺激に反応した後、ホスホリパーゼ C、プロテインキナーゼ C、および Ca2+-カルモジュリン依存性酵素が不活性化されます。 af ls - GTP およびホスホリパーゼ C と複合体を形成しているサブユニットは、酵素 (GTP-ホスファターゼ) 活性を示し、GTP を加水分解します。 GDP 結合 afl ls サブユニットは、ホスホリパーゼ C に対する親和性を失い、元の不活性状態に戻ります。 αβγ-GDP複合体Gfl ls-タンパク質に含まれる）。
ホスホリパーゼ C から afls-GDF を分離すると、酵素が不活性化され、FIF 2 の加水分解が停止します。 サイトゾル中のCa 2+ 濃度の増加は、細胞のサイトゾルからCa 2+ を「排出」する小胞体、細胞質膜のCa 2+ -ATPアーゼを活性化します。 Na+/Ca 2+ および H+/Ca 2+ キャリアもこのプロセスに関与し、アクティブなアンチポート原理に従って機能します。 Ca 2+ 濃度の低下は、Ca 2+ -カルモジュリン依存性酵素の解離と不活化、および膜脂質に対するプロテインキナーゼ C の親和性の喪失とその活性の低下につながります。
システムの活性化の結果として形成された IP 3 と DAG は、再び互いに相互作用し、ホスファチジルイノシトール-4,5-ビスリン酸に変わることができます。
リン酸化タンパク質ホスファターゼの作用下でリン酸化された酵素とタンパク質は、脱リン酸化された形に変わり、それらの立体構造と活性が変化します。
5. 触媒受容体。触媒受容体は酵素です。 これらの酵素の活性化因子は、ホルモン、成長因子、サイトカインです。 活性型では、受容体酵素はチロシンの-OH基で特定のタンパク質をリン酸化するため、チロシンプロテインキナーゼと呼ばれます(図4.15)。 特別なメカニズムを通じて、触媒受容体によって受信されたシグナルは核に伝達され、そこで特定の遺伝子の発現を刺激または抑制します。
米。 4.15. インスリン受容体の活性化。
リン酸化タンパク質ホスファターゼは、特定のリン酸化タンパク質を脱リン酸化します。
ホスホジエステラーゼは、cAMP を AMP に、cGMP を GMP に変換します。
GLUT 4 - インスリン依存性組織のグルコース輸送体。
チロシンプロテインホスファターゼは受容体のβサブユニットを脱リン酸化します
インスリン
触媒受容体の例は、 インスリン受容体、 2つのαサブユニットと2つのβサブユニットで構成されています。 αサブユニットは細胞膜の外表面に位置し、βサブユニットは膜二重層を貫通します。 インスリン結合部位は、αサブユニットのN末端ドメインによって形成されます。 受容体の触媒中心は、βサブユニットの細胞内ドメインに位置しています。 受容体のサイトゾル部分には、リン酸化および脱リン酸化できるいくつかのチロシン残基があります。
α-サブユニットによって形成された結合部位へのインスリンの付着は、受容体の協同的なコンフォメーション変化を引き起こします。 βサブユニットはチロシンキナーゼ活性を示し、いくつかのチロシン残基でトランス自己リン酸化（最初のβサブユニットが2番目のβサブユニットをリン酸化し、その逆）を触媒します。 リン酸化は、酵素 (Tyr-PA) の電荷、コンフォメーション、および基質特異性の変化をもたらします。 チロシン-PK は、インスリン受容体基質と呼ばれる特定の細胞タンパク質をリン酸化します。 次に、これらのタンパク質は、リン酸化反応のカスケードの活性化に関与しています。
リンタンパク質ホスファターゼ(FPF)、特定のリン酸化タンパク質を脱リン酸化します。
ホスホジエステラーゼ、 cAMP を AMP に、cGMP を GMP に変換します。
大食4- インスリン依存組織におけるグルコースキャリア、したがって、筋肉および脂肪組織細胞へのグルコース取り込みが増加します;
チロシンプロテインホスファターゼインスリン受容体のβサブユニットを脱リン酸化します。
核調節タンパク質、転写因子、特定の酵素の遺伝子発現を増加または減少させます。
効果の実装 成長因子単一のポリペプチド鎖で構成されるが、一次メッセンジャーの結合時に二量体を形成する触媒受容体を使用して実行できます。 このタイプのすべての受容体は、細胞外グリコシル化ドメイン、膜貫通 (a-ヘリックス)、および活性化時にプロテインキナーゼ活性を示すことができる細胞質ドメインを持っています。
二量体化は、セリン、スレオニン、またはチロシンのアミノ酸残基で自己リン酸化を行う触媒細胞内ドメインの活性化を促進します。 リン残基の結合は、受容体における特定のサイトゾルタンパク質の結合部位の形成と、プロテインキナーゼシグナル伝達カスケードの活性化をもたらします (図 4.16)。
Ras および Raf タンパク質が関与するプライマリ メッセンジャー (成長因子) のシグナル伝達の一連のイベント。
受容体 (R) が成長因子 (GF) に結合すると、その二量体化とトランス自己リン酸化が起こります。 リン酸化された受容体は、Grb2 タンパク質に対する親和性を獲得します。 形成された FR * R * Grb2 複合体は、サイトゾル SOS タンパク質と相互作用します。 SOSコンフォメーションチェンジ
固定された Ras-GDF 膜タンパク質との相互作用を保証します。 FR?R?Grb2?SOS?Ras-GDP 複合体の形成は、GDP に対する Ras タンパク質の親和性を低下させ、GTP に対する親和性を増加させます。
GTP による GDP の置換は、複合体から放出され、膜領域で Raf タンパク質と相互作用する Ras タンパク質の構造を変化させます。 Ras-GTP-Raf 複合体はプロテインキナーゼ活性を示し、MEK キナーゼ酵素をリン酸化します。 活性化された MEK キナーゼは、スレオニンとチロシンで MAP キナーゼをリン酸化します。
図 4.16. MAPキナーゼカスケード。
このタイプの受容体には、上皮成長因子 (EGF)、神経成長因子 (NGF)、およびその他の成長因子があります。
Grb2 - 成長因子受容体 (成長受容体結合タンパク質) と相互作用するタンパク質。 SOS (GEF) - GDP-GTP 交換因子 (グアニンヌクレオチド交換因子); Ras - Gタンパク質（グアニジントリホスファターゼ）; Raf-キナーゼ - その活性型 - MEK-キナーゼをリン酸化; MEKキナーゼ - MAPキナーゼキナーゼ; MAPキナーゼ - マイトジェン活性化プロテインキナーゼ（マイトジェン活性化プロテインキナーゼ）
-PO 3 2 - 基が MAP キナーゼのアミノ酸ラジカルに結合すると、その電荷、立体構造、および活性が変化します。 この酵素は、膜、サイトゾル、および核の特定のタンパク質をリン酸化し、セリンとスレオニンを生成します。
これらのタンパク質の活性の変化は、代謝プロセスの速度、膜トランスロカーゼの機能、および標的細胞の有糸分裂活性に影響を与えます。
受容体 グアニル酸シクラーゼ活性触媒受容体とも呼ばれます。 グアニル酸シクラーゼは、細胞内シグナル伝達の重要なメッセンジャー（メディエーター）の 1 つである GTP からの cGMP の形成を触媒します（図 4.17）。
米。 4.17. 膜グアニル酸シクラーゼ活性の調節。
膜結合型グアニル酸シクラーゼ (GC) は、膜貫通糖タンパク質です。 シグナル分子の結合中心は細胞外ドメインに位置し、グアニル酸シクラーゼの細胞内ドメインは活性化の結果として触媒活性を示す
プライマリ メッセンジャーが受容体に結合すると、グアニル酸シクラーゼが活性化され、GTP からセカンド メッセンジャーであるサイクリック グアノシン-3,5'-モノホスフェート (cGMP) への変換が触媒されます。 細胞内の cGMP の濃度が上昇します。 cGMP 分子は、2 つのサブユニットで構成されるプロテイン キナーゼ G (PKG5) の調節中心に可逆的に結合できます。 cGMP の 4 つの分子は、酵素の構造と活性を変化させます。 活性型プロテインキナーゼ G は、細胞サイトゾル内の特定のタンパク質と酵素のリン酸化を触媒します。 プロテインキナーゼ G の主要なメッセンジャーの 1 つは、体内の体液恒常性を調節する心房性ナトリウム利尿因子 (ANF) です。
6. 細胞内受容体を利用したシグナル伝達。化学的に疎水性のホルモン (ステロイド ホルモンとチロキシン) は膜を通って拡散できるため、それらの受容体はサイトゾルまたは細胞核に位置します。
サイトゾル受容体は、時期尚早の受容体活性化を防ぐシャペロンタンパク質と関連しています。 ステロイドおよび甲状腺ホルモンの核および細胞質受容体には、ホルモン受容体複合体と核内のDNAの調節領域との相互作用および転写速度の変化を確実にするDNA結合ドメインが含まれています。
転写速度の変化につながる一連のイベント
ホルモンは細胞膜の脂質二重層を通過します。 サイトゾルまたは核内で、ホルモンは受容体と相互作用します。 ホルモン受容体複合体は核に入り、DNAの調節ヌクレオチド配列に結合します - エンハンサー(図 4.18) または サイレンサー。 RNA ポリメラーゼのプロモーターの利用可能性は、エンハンサーと相互作用すると増加し、サイレンサーと相互作用すると減少します。 したがって、特定の構造遺伝子の転写速度は増加または減少します。 成熟したmRNAは核から放出されます。 特定のタンパク質の翻訳速度が増減します。 細胞の代謝と機能状態に影響を与えるタンパク質の量が変化します。
各細胞には、すべての外部信号を細胞内信号に変換するさまざまな信号変換システムに含まれる受容体があります。 特定のファースト メッセンジャーの受容体の数は、細胞あたり 500 から 100,000 以上までさまざまです。 それらは膜上で互いに離れて配置されているか、膜の特定の領域に集中しています。
米。 4.18. 細胞内受容体へのシグナル伝達
b) 以下に関与する脂質を表から選択します。
1.プロテインキナーゼCの活性化
2. ホスホリパーゼCによるDAG生成反応
3. 神経線維のミエリン鞘の形成
c) 段落 2 で選択した脂質の加水分解反応を書きます。
d) どの加水分解生成物が小胞体の Ca 2+ チャネルの調節に関与しているかを示す。
2. 正しい答えを選択してください。
キャリアタンパク質のコンフォメーション不安定性は、以下の影響を受ける可能性があります。
B. 膜を横切る電位の変化
B. 特定の分子の結合 D. 二重層脂質の脂肪酸組成 E. 輸送される物質の量
3. セットマッチ:
A. ER カルシウムチャネル B. Ca 2+-ATPase
D. Ka + 依存性キャリア Ca 2 + D. N +、K + -ATPase
1. 濃度勾配に沿って Na+ を運ぶ
2. 促進拡散のメカニズムによって作動する
3. 濃度勾配に逆らって Na+ を運ぶ
4. テーブルを移動します。 4.2. ノートに記入してください。
表 4.2. アデニル酸シクラーゼとイノシトールリン酸系
運用の構造と段階 | アデニル酸シクラーゼ系 | イノシトールリン酸系 |
システムのプライマリ メッセンジャーの例 | ||
プライマリメッセンジャーと相補的に相互作用する細胞膜内在性タンパク質 | ||
シグナル伝達酵素活性化タンパク質 | ||
二次メッセンジャーを形成する酵素系 | ||
システムのセカンダリ メッセンジャー | ||
セカンドメッセンジャーと相互作用するシステムのサイトゾル（e）酵素（e） | ||
代謝経路の酵素の活性の（このシステムにおける）調節のメカニズム | ||
標的細胞におけるセカンドメッセンジャーの濃度を低下させるメカニズム | ||
シグナル伝達系の膜酵素の活性が低下する理由 |
セルフコントロールのタスク
1. セットマッチ:
A. パッシブ シンポート B. パッシブ アンチポート
B. エンドサイトーシス D. エキソサイトーシス
D. 一次能動輸送
1.細胞内への物質の輸送は、原形質膜の一部と一緒に行われます
2. 同時に、2 つの異なる物質が濃度勾配に沿って細胞内を通過します。
3.物質の輸送は濃度勾配に逆らう
2. 正しい答えを選びなさい。
銀-GTP 関連の G タンパク質サブユニットは以下を活性化します。
A. 受容体
B.プロテインキナーゼA
B. ホスホジエステラーゼ D. アデニル酸シクラーゼ E. プロテインキナーゼ C
3. マッチを設定します。
関数：
A. 触媒受容体の活性を調節する B. ホスホリパーゼを活性化する C
B.プロテインキナーゼAを活性型に変換する
D. 細胞のサイトゾル中の Ca 2+ 濃度を上昇させる E. プロテインキナーゼ C を活性化する
セカンドメッセンジャー:
4. マッチを設定します。
機能:
A. 膜二重層での横方向拡散が可能
B. プライマリーメッセンジャーと組み合わせてエンハンサーに加わる
B. プライマリメッセンジャーと相互作用する際に酵素活性を示す
G. Gタンパク質と相互作用する可能性があります
D. シグナル伝達中にホスホリパーゼ C と相互作用する 受容体:
1. インスリン
2. アドレナリン
3. ステロイドホルモン
5. 「チェーン」タスクを完了します。
a) ペプチドホルモンは受容体と相互作用します：
A. 細胞のサイトゾル内
B. 標的細胞膜の統合タンパク質
B. 細胞核内
G. FIF 2 に共有結合
b) このような受容体とホルモンとの相互作用により、細胞内の濃度が上昇します。
A. ホルモン
B. 中間代謝物
B. セカンドメッセンジャー D. 核タンパク質
の） これらの分子は次のようになります。
A. タグ B. GTP
B. FIF 2 D. キャンプ
G) 彼らは活性化します：
A. アデニル酸シクラーゼ
B. Ca 2+ 依存性カルモジュリン
B.プロテインキナーゼA D.ホスホリパーゼC
e) この酵素は、細胞内の代謝プロセスの速度を次のように変化させます。
A. サイトゾル中の Ca 2 + 濃度の増加 B. 調節酵素のリン酸化
B. プロテンホスファターゼ活性化
D. 調節タンパク質遺伝子の発現変化
6. 「チェーン」タスクを完了します。
a) 受容体 (R) への成長因子 (GF) の付着は、以下をもたらします。
A. FR-R 複合体の局在の変化
B. 受容体の二量体化とトランス自己リン酸化
B. 受容体の立体構造の変化と Gs タンパク質への結合 D. FR-R 複合体の移動
b) 受容体の構造のこのような変化は、膜の表面タンパク質に対する親和性を高めます。
B. ラフ G. Grb2
の） この相互作用により、細胞質タンパク質複合体への付着の可能性が高まります。
A. カルモジュリナ B. ラス
B.PCS D.SOS
G) これにより、「固定された」タンパク質に対する複合体の相補性が高まります。
e) 「固定された」タンパク質のコンフォメーションの変化により、以下に対する親和性が低下します。
A. cAMP B. GTP
B. GDF G. ATP
e) この物質は次のものに置き換えられます。
A. GDF B. AMP
B. cGMP D. GTP
と） ヌクレオチドの付着は、「固定された」タンパク質と以下の相互作用を促進します。
A. PKA B. カルモジュリン
h) このタンパク質は、リン酸化する複合体の一部です。
A. MEK キナーゼ B. プロテインキナーゼ C
B.プロテインキナーゼA D.MAPキナーゼ
と） この酵素は次に活性化します：
A. MEK キナーゼ B. プロテインキナーゼ G
B. Raf タンパク質 D. MAP キナーゼ
j) タンパク質のリン酸化は、以下に対する親和性を高めます。
A. SOS および Raf タンパク質 B. 核調節タンパク質 B. カルモジュリン D. 核受容体
k) これらのタンパク質の活性化は以下をもたらします:
A. Ras タンパク質の活性中心における GTP の脱リン酸化 B. 成長因子に対する受容体の親和性の低下
B. マトリックス生合成速度の増加 D. SOS-Grb2 複合体の解離
m) この結果として:
A. SOSタンパク質が受容体から放出される
B. 受容体プロトマー (R) の解離が起こる
B. Ras タンパク質が Raf タンパク質から分離する
Ｄ．標的細胞の増殖活性が上昇する。
「自己管理のための課題」に対する回答の基準
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
基本的な用語と概念
1. 膜の構造と機能
2. 膜を通過する物質の輸送
3. 膜タンパク質の構造的特徴
4. 膜貫通シグナル伝達系（アデニル酸シクラーゼ、イノシトールリン酸、グアニル酸シクラーゼ、触媒および細胞内受容体）
5. 主なメッセンジャー
6. 二次メッセンジャー（仲介者）
オーディション作業のタスク
1. 図を参照してください。 4.19 を開き、次のタスクを完了します。
a) 輸送モードの名前。
b) イベントの順序を設定します。
A. Cl - 濃度勾配に沿って細胞を離れます
B. プロテインキナーゼ A はチャネルの R サブユニットをリン酸化します
B. Rサブユニットの構造変化
D. 膜タンパク質の協同的な構造変化が起こる
D. アデニル酸シクラーゼ系が活性化される
米。 4.19. C1の機能 - 腸内皮のチャネル。
R は、プロテインキナーゼ A (PKA) の作用によってリン酸化型に変換される調節タンパク質です。
c) 小胞体膜の Ca 2+ チャネルと腸内皮細胞の Cl - チャネルの機能を比較し、表に記入してください。 4.3.
表 4.3. チャネルの機能を調節する方法
問題解決
1. 心筋の収縮はCa 2 +を活性化し、細胞質膜のcAMP依存性キャリアの機能により、細胞のサイトゾル中の含有量が増加します。 次に、細胞内の cAMP の濃度は、アドレナリンとアセチルコリンという 2 つのシグナル分子によって調節されます。 さらに、β 2 -アドレナリン受容体と相互作用するアドレナリンは、心筋細胞内のcAMPの濃度を増加させ、心拍出量を刺激し、M 2 -コリン作動性受容体と相互作用するアセチルコリンは、cAMPのレベルと心筋収縮性を低下させることが知られています。 同じシグナル伝達システムを使用する 2 つの主要なメッセンジャーが異なる細胞応答を誘発する理由を説明してください。 このため：
a) アドレナリンとアセチルコリンのシグナル伝達スキームを示します。
b) これらのメッセンジャーのシグナル伝達カスケードの違いを示します。
2. M 3 -コリン作動性受容体と相互作用するアセチルコリン 唾液腺、小胞体からの Ca 2+ の放出を刺激します。 サイトゾルの Ca 2+ 濃度の増加は、分泌顆粒のエキソサイトーシスと、電解質の放出、および唾液管への少量のタンパク質の放出を確実にします。 ER の Ca 2+ チャネルがどのように制御されているか説明してください。 このため：
ａ）ＥＲ Ｃａ ２＋ チャネルの開口を提供するセカンドメッセンジャーの名前；
b) セカンドメッセンジャーの形成に対する反応を書きなさい。
c) アセチルコリンの膜貫通シグナル伝達のスキームを提示し、その活性化中に調節リガンドCa 2+ が-できる-
3. インスリン受容体の研究者は、インスリン受容体の基質の 1 つであるタンパク質の遺伝子に重大な変化があることを確認しました。 このタンパク質の構造の破壊は、インスリンシグナル伝達システムの機能にどのように影響しますか? 質問に答えるには:
a) インスリンの膜貫通シグナル伝達の図を示します。
b) 標的細胞でインスリンを活性化するタンパク質と酵素に名前を付け、それらの機能を示します。
4. Ras タンパク質は、細胞質膜に「固定された」タンパク質です。 「アンカー」の機能は、ファルネシルH 3 C-(CH 3) C \u003d CH-CH 2 - [CH 2 - (CH 3) C \u003d CH-CH 2 ] 2の15炭素残基によって実行されます。 - 翻訳後修飾中にファルネシルトランスフェラーゼ酵素によってタンパク質に結合します。 現在、この酵素の阻害剤は臨床試験を受けています。
これらの薬剤の使用が成長因子シグナル伝達を損なうのはなぜですか? 答えは：
a) Ras タンパク質が関与するシグナル伝達のスキームを示します。
b) Ras タンパク質の機能とそのアシル化の失敗の結果を説明します。
c) これらの薬がどのような病気を治療するために開発されたか当ててみてください。
5. ステロイド ホルモン カルシトリオールは、腸細胞内の Ca 2+ 担体タンパク質の量を増加させることにより、食物カルシウムの吸収を活性化します。 カルシトリオールの作用機序を説明してください。 このため：
a) ステロイドホルモンのシグナル伝達の一般的なスキームを示し、その機能を説明してください;
b) 標的細胞の核内でホルモンを活性化するプロセスを挙げてください。
c) 核内で合成された分子がどのマトリックス生合成に関与し、それがどこで起こるかを示します。
標的細胞における受容体の局在に応じて、ホルモンは 3 つのグループに分けることができます。
最初のグループは 脂質ホルモン。脂溶性なので浸透しやすい 細胞膜細胞内、通常は細胞質に局在する受容体と相互作用します。
2番 グループタンパク質およびペプチドホルモン。それらはアミノ酸で構成されており、脂質性のホルモンと比較して分子量が高く、親油性が低いため、原形質膜を通過するのが困難です。 これらのホルモンの受容体は細胞膜の表面にあるため、タンパク質およびペプチド ホルモンは細胞を透過しません。
ホルモンの 3 番目の化学グループは低分子量です 甲状腺ホルモン、エーテル結合によって連結された 2 つのアミノ酸残基によって形成されます。 これらのホルモンは、体のすべての細胞に容易に浸透し、核にある受容体と相互作用します。 1 つの同じ細胞が 3 種類の受容体すべてを持つことができます。 核、サイトゾル、および原形質膜の表面に局在しています。 さらに、同じタイプの異なる受容体が同じ細胞に存在する可能性があります。 例えば、様々なペプチドおよび/またはタンパク質ホルモンの受容体が細胞膜の表面に存在する可能性があります。
二次メッセンジャー: 1) 環状ヌクレオチド (cAMP および cGMP)。 2) Ca イオンと 3) ホスファチジルイノシトール代謝物。
加盟 ホルモン受容体への結合により、後者はGタンパク質と相互作用することができます。 Gタンパク質がアデニル酸シクラーゼ-cAMP系を活性化する場合、それはGsタンパク質と呼ばれます。 Gs タンパク質によって酵素の膜に結合したアデニル酸シクラーゼの刺激は、細胞質に存在する少量のアデノシン三リン酸の細胞内での cAMP への変換を触媒します。
次のステージ 仲介された細胞内の特定のタンパク質をリン酸化して生化学反応を引き起こし、細胞がホルモンの作用に確実に反応するようにする cAMP 依存性プロテインキナーゼによる活性化。
一度 キャンプが細胞内で形成され、これにより多数の酵素が順次活性化されます。 カスケード反応。 したがって、最初に活性化された酵素が 2 番目の酵素を活性化し、それが 3 番目の酵素を活性化します。 このメカニズムの目的は、アデニル酸シクラーゼによって活性化された少数の分子が、カスケード反応の次のステップでより多くの分子を活性化できるようにすることです。これは応答を強化する方法です。
最後に、これのおかげで 機構細胞膜の表面に作用するごくわずかな量のホルモンが、活性化反応の強力なカスケードを引き起こします。
ホルモンが絡むと 受容体抑制性 G タンパク質 (Gi タンパク質) と結合すると、cAMP の形成が減少し、その結果、細胞の活性が低下します。
レッスンのために準備する質問:
1. 代謝の細胞間および有機体間調整のメカニズムとしてのホルモン調節。 代謝調節の主なメカニズム：細胞内の酵素活性の変化、細胞内の酵素量の変化（合成の誘導または抑制）、細胞膜の透過性の変化。
2. ホルモン、一般的な特徴、化学構造および生物学的機能によるホルモンの分類。 タンパク質ホルモンの作用機序。
3.ステロイド性ホルモンとチロキシンの作用機序。
4. 視床下部のホルモン。 ルリベリン、ソマトスタチン、チロリベリン。
5.下垂体ホルモン。 下垂体後葉ホルモン：バソプレシン、オキシトシン。
6. ヨードサイロニンの構造合成と代謝。
7.代謝に対するヨードチロニンの影響。 甲状腺機能低下症および甲状腺機能亢進症。
8.副腎髄質のホルモン。 構造、代謝への影響。 カテコールアミンの生合成。
9. 成長ホルモン、構造、機能。
10. ホルモン 副甲状腺. リン - カルシウム代謝の調節。
11. インスリン。 グルカゴン。 代謝への影響。
12. インスリン依存性糖尿病のホルモン像
13. インスリン非依存性糖尿病のホルモン像
14. ステロイドホルモン。 グルココルチコイド。
15.性ホルモン。
16. レニン-アンギオテンシン系。
17. カリクレイン・キニン系。
次のタスクを完了します。
1. リベリン:
A. 小さなペプチド
B. 細胞質受容体と相互作用します。
B. 栄養ホルモンの分泌を活性化します。
D. 下垂体前葉の受容体に信号を送信します。
D. インスリン分泌を引き起こす。
2. 間違った文を選択してください。 キャンプ：
A. グリコーゲンの動員に関与します。
B. シグナルのセカンド メッセンジャー。
B. プロテインキナーゼ活性化剤。
D. アデニル酸シクラーゼ補酵素。
D.ホスホジエステラーゼ基質。
3. ヨードチロニンの合成中に発生するイベントを、数字表記を使用して必要な順序で並べ替えます。
A.サイログロブリンのチロシン残基のヨウ素。
B.サイログロブリンの合成。
B. ヨウ素化チロシン残基の縮合。
D. ヨードサイロニンの標的細胞への輸送。
D. チロキシン結合タンパク質との複合体の形成。
4. リストされた代謝物を形成順に並べ替えます。
A. 17-OH-プロゲステロン。
B. プレグネノロン。
B. コレステロール。
G. プロゲステロン
D. コルチゾール。
5. 浸透圧の上昇に応じて合成と分泌が増加するホルモンを選択します。
A.アルドステロン。
B. コルチゾール。
B.バソプレシン。
G. アドレナリン。
D.グルカゴン。
6.肝臓のインスリンの影響下で加速します：
A. タンパク質の生合成
B. グリコーゲンの生合成。
B. 糖新生。
D. 脂肪酸の生合成。
D.解糖。
7. 3 日間の断食の場合、以下のすべてが当てはまります。
A. インスリン-グルカゴン指数が低下します。
B. アミノ酸からの糖新生の割合が増加します。
C. 肝臓での TAG 合成率が低下します。
D. 肝臓のβ酸化速度が低下する。
D. 血中のケトン体濃度が正常値を上回っています。
8.いつ 糖尿病肝臓で発生します：
A. グリコーゲン合成の促進。
B. 乳酸からの糖新生率の低下。
B. グリコーゲン動員率の低下。
D. アセトアセテートの合成速度の増加。
D. アセチル-CoA カルボキシラーゼの活性の増加。
9. NIDDM患者が最も頻繁に発見した時期:
A. 高血糖。
B. インスリン合成速度の低下。
B. 血中のインスリン濃度が正常または正常を上回っている。
D. 膵臓 b 細胞に対する抗体。
D. 微小血管障害。
ラボ 14
トピック: 血糖曲線の作成と分析
目標： 炭水化物の中間代謝、エネルギー代謝における炭水化物の役割を研究する。 糖尿病、アジソン病、甲状腺機能低下症などにおけるシュガーロード法の臨床的・診断的意義
メソッドの原理 : グルコースの測定は、グルコースオキシダーゼによって触媒される反応に基づいています。
グルコース + O 2 グルコノラクトン + H 2 O 2
この反応中に形成される過酸化水素は、着色された生成物の形成を伴うペルオキシダーゼ基質の酸化を引き起こします。
シュガーロード法: 朝、空腹時に患者の指から血液を採取し、血糖値を測定します。 その後、50〜100gのブドウ糖を200mlの温かいものに飲ませてください 沸騰したお湯(体重 1 kg あたり 1 g のブドウ糖) 5 分以内。 その後、血液中のブドウ糖含有量を再検査し、30 分ごとに 2 ～ 3 時間、指から血液を採取します。 グラフは座標で作成されます。時間 - グラフの種類に応じて、血清中のグルコース濃度、診断が行われるか、明確になります。
進捗：血清サンプル (グルコース摂取前後) で、グルコースの濃度を決定します。 これを行うには、2 ml の作業試薬 (リン酸緩衝液、ペルオキシダーゼ + グルコースオキシダーゼ基質 40:1 の比率) を一連の試験管に加えます。 一方の試験管には濃度10mmol/Lの標準グルコース溶液0.05mlを加える。 その他 - 糖負荷法に従って採取した0.05mlの血清。 溶液を振盪し、室温で20分間インキュベートする。
インキュベーション後、溶液の光学密度を波長 490 nm の FEC で測定します。 光路長5mmのキュベット。 基準溶液 - 作業試薬。
グルコース濃度の計算:
C = 10 ミリモル/l
ここで、E op - 血清サンプルの光学密度。
E st - 標準グルコース溶液の光学密度
分析結果:
スケジュール：
結論：
日付: 先生の署名:
実践的なレッスン
Test3 代謝のホルモン調節
親水性ホルモンは、アミノ酸から作られるか、アミノ酸の誘導体です。 それらは内分泌腺の細胞に大量に沈着し、必要に応じて血液に入ります。 これらの物質のほとんどは、キャリアの関与なしに血流で輸送されます。 親水性ホルモンは親油性細胞膜を通過できないため、 操作する標的細胞に 原形質膜上の受容体に結合することによって.
受容体シグナル伝達物質を結合する内在性膜タンパク質です。 外側そして空間構造を変化させることで、膜の内側で新しいシグナルを生成します。
受容体には次の 3 種類があります。
- 最初のタイプの受容体単一の膜貫通鎖を持つタンパク質です。 このアロステリック酵素 (多くはチロシンプロテインキナーゼ) の活性部位は、膜の内側にあります。 ホルモンが受容体に結合すると、後者は受容体のチロシンの活性化とリン酸化と同時に二量体化します。 シグナル伝達タンパク質はホスホチロシンに結合し、シグナルを細胞内プロテインキナーゼに伝達します。
- イオンチャネル。これらは、リガンドに結合すると、Na + 、K + またはCl + イオンに対して開放される膜タンパク質です。 これが神経伝達物質の働きです。
- 第三のタイプの受容体、GTP結合タンパク質に結合。 これらの受容体のペプチド鎖には、7回膜貫通鎖が含まれています。 このような受容体は、GTP 結合タンパク質 (G タンパク質) を介してエフェクタータンパク質にシグナルを伝達します。 これらのタンパク質の機能は濃度を変えることです 二次メッセンジャー（下記参照）。
親水性ホルモンの膜受容体への結合は、細胞内応答の 3 つのバリアントのうちの 1 つを伴います: 1) 受容体チロシンキナーゼは細胞内プロテインキナーゼを活性化します。 GTP結合タンパク質に結合した受容体は、物質の合成を引き起こします - 仲介者、 二次メッセンジャー. 3 つのホルモン シグナル伝達システムはすべて相互に関連しています。
このプロセスは多くのホルモンの作用メカニズムにおいて重要な役割を果たしているため、G タンパク質によるシグナル伝達を考えてみましょう。 G タンパク質は、シグナルを第 3 型受容体からエフェクタータンパク質に伝達します。 それらは、α、β、および g の 3 つのサブユニットで構成されています。 αサブユニットはグアニンヌクレオチド（GTP、GDP）に結合できます。 不活性状態では、Gタンパク質は GDP. ホルモンが受容体に結合すると、受容体はGタンパク質に結合できるように立体構造を変化させます。 Gタンパク質と受容体との結合は、GDPの交換につながります GTP. この場合、Gタンパク質が活性化され、受容体から分離され、αサブユニットとβ、g複合体に解離します。 GTP-α-サブユニットはエフェクタータンパク質に結合し、その活性を変化させ、次のメッセンジャー (メッセンジャー) の合成をもたらします: cAMP、cGMP、ジアシルグリセロール (DAG)、イノシトール-1,4,5-三リン酸 (I-3-P結合した GTP から GDP へのゆっくりとした加水分解により、α サブユニットが不活性状態に変換され、再び β、g 複合体、すなわち Gタンパク質は元の状態に戻ります。
セカンドメッセンジャー、またはメディエーターは、ホルモン、神経伝達物質、およびその他の細胞外シグナルによって濃度が厳密に制御される細胞内物質です。 最も重要なセカンド メッセンジャーは、cAMP、cGMP、ジアシルグリセロール (DAG)、イノシトール-1,4,5-三リン酸 (I-3-P)、一酸化窒素です。
cAMPの作用機序. cAMP は、プロテイン キナーゼ A (PK-A) およびイオン チャネルのアロステリック エフェクターです。 非活性状態では、PC-A は四量体であり、その 2 つの触媒サブユニット (K サブユニット) は調節サブユニット (R サブユニット) によって阻害されます。 cAMPが結合すると、Rサブユニットが複合体から解離し、Kサブユニットが活性化されます。
活性酵素は、100 以上の異なるタンパク質および転写因子の特定のセリンおよびスレオニン残基をリン酸化できます。 リン酸化の結果、これらのタンパク質の機能活性が変化します。
すべてを結び付けると、次のアデニル酸シクラーゼ システムのスキームが得られます。
アデニル酸シクラーゼ システムの活性化には非常に時間がかかります。 短時間これは、G タンパク質がアデニル酸シクラーゼに結合した後、GTPase 活性を示し始めるためです。 GTP の加水分解後、G タンパク質はそのコンフォメーションを復元し、アデニル酸シクラーゼの活性化を停止します。 その結果、cAMP 形成反応が停止します。
アデニル酸シクラーゼ系の参加者に加えて、一部の標的細胞は、アデニル酸シクラーゼの阻害につながるGタンパク質に関連する受容体タンパク質を持っています。 同時に、「GTP-G-タンパク質」複合体はアデニル酸シクラーゼを阻害します。
cAMP の形成が停止しても、細胞内のリン酸化反応はすぐには停止しません。cAMP 分子が存在し続ける限り、プロテイン キナーゼの活性化プロセスは継続します。 cAMP の作用を止めるために、細胞には特別な酵素、ホスホジエステラーゼがあり、これは 3, 5'-シクロ-AMP から AMP への加水分解反応を触媒します。
ホスホジエステラーゼに対して阻害効果を持ついくつかの物質 (例えば、アルカロイドのカフェイン、テオフィリン) は、細胞内のシクロ AMP の濃度を維持および増加させるのに役立ちます。 体内のこれらの物質の影響下で、アデニル酸シクラーゼ系の活性化の持続時間が長くなります。つまり、ホルモンの効果が高まります。
アデニル酸シクラーゼやグアニル酸シクラーゼ系に加えて、カルシウムイオンやイノシトール三リン酸が関与して標的細胞内で情報を伝達するメカニズムもあります。
イノシトール三リン酸複合脂質 - イノシトールホスファチドの誘導体である物質です。 それは、膜受容体タンパク質の細胞内ドメインの構造変化の結果として活性化される特別な酵素 - ホスホリパーゼ「C」の作用の結果として形成されます。
この酵素は、ホスファチジル-イノシトール-4,5-ビスリン酸分子のリン酸エステル結合を加水分解し、ジアシルグリセロールとイノシトール三リン酸を生成します。
ジアシルグリセロールおよびイノシトール三リン酸の形成が、細胞内のイオン化カルシウムの濃度の増加につながることが知られています。 これは、さまざまなプロテインキナーゼの活性化を含む、細胞内の多くのカルシウム依存性タンパク質の活性化につながります. ここで、アデニル酸シクラーゼ系の活性化の場合のように、細胞内のシグナル伝達の段階の 1 つはタンパク質のリン酸化であり、ホルモンの作用に対する細胞の生理学的反応を引き起こします。
特殊なカルシウム結合タンパク質であるカルモジュリンは、標的細胞におけるホスホイノシチドシグナル伝達機構の働きに関与しています。 これは低分子量タンパク質 (17 kDa) で、30% が負に荷電したアミノ酸 (Glu、Asp) で構成されているため、Ca +2 と積極的に結合することができます。 1 つのカルモジュリン分子には 4 つのカルシウム結合部位があります。 Ca +2 との相互作用の後、カルモジュリン分子のコンフォメーション変化が起こり、「Ca +2 -カルモジュリン」複合体は、アデニル酸シクラーゼ、ホスホジエステラーゼ、Ca +2、Mg + などの多くの酵素の活性を調節 (アロステリックに阻害または活性化) できるようになります。 2 -ATPase およびさまざまなプロテインキナーゼ。
異なる細胞で、「Ca +2-カルモジュリン」複合体が同じ酵素のイソ酵素（例えば、アデニル酸シクラーゼ 別のタイプ) cAMP生成反応の活性化が観察される場合もあれば、阻害が観察される場合もあります。 このような異なる効果が生じるのは、アイソザイムのアロステリック中心が異なるアミノ酸ラジカルを含む可能性があり、Ca + 2 -カルモジュリン複合体の作用に対する応答が異なるためです。
したがって、標的細胞内のホルモンからのシグナル伝達における「セカンド メッセンジャー」の役割は次のようになります。
環状ヌクレオチド (c-AMP および c-GMP);
Ca イオン;
複雑な「Sa-カルモジュリン」;
ジアシルグリセリン;
イノシトール三リン酸
これらのメディエーターの助けを借りて、標的細胞内のホルモンから情報を伝達するメカニズムには、 共通の機能:
1. シグナル伝達の段階の 1 つは、タンパク質のリン酸化です。
2. アクティブ化の終了は、プロセス自体の参加者によって開始された特別なメカニズムの結果として発生します - 負のフィードバックメカニズムがあります。
ホルモンは体の生理学的機能の主要な体液性調節因子であり、その特性、生合成プロセス、および作用機序は現在よく知られています。