Všeobecné zastúpenia o dráhach prenosu signálu

U väčšiny regulačných molekúl medzi ich väzbou na membránový receptor a konečnou odpoveďou bunky, t.j. zmenou jeho práce sa zaklinuje zložitý rad dejov – určité dráhy prenosu signálu, inak tzv dráhy prenosu signálu.

Regulačné látky sa zvyčajne delia na endokrinné, neurokrinné a parakrinné. Endokrinné regulátorov (hormóny) vyniknúť endokrinné bunky do krvi a ňou prenášané do cieľových buniek, ktoré sa môžu nachádzať kdekoľvek v tele. neurokrinné regulátory sú uvoľňované neurónmi v tesnej blízkosti cieľových buniek. parakrinný látky sa uvoľňujú o niečo ďalej od cieľov, ale stále dostatočne blízko k nim, aby sa dostali k receptorom. Parakrinné látky sú vylučované jedným typom buniek a pôsobia na iný, ale v niektorých prípadoch sú regulátory zamerané na bunky, ktoré ich vylučovali, alebo na susedné bunky rovnakého typu. To sa nazýva autokrinné regulácia.

V niektorých prípadoch posledný stupeň signálnej transdukcie spočíva vo fosforylácii určitých efektorových proteínov, čo vedie k zvýšeniu alebo inhibícii ich aktivity, a to zase určuje bunkovú odpoveď potrebnú pre telo. Uskutočňuje sa fosforylácia proteínov proteínkináza, a defosforyláciu proteín fosfatáza.

Zmeny v aktivite proteínkinázy sú výsledkom väzby regulačnej molekuly (všeobecne tzv ligand) s jeho membránovým receptorom, ktorý spúšťa kaskády dejov, z ktorých niektoré sú znázornené na obrázku (obr. 2-1). Aktivita rôznych proteínkináz je regulovaná receptorom nie priamo, ale prostredníctvom sekundárnych poslov(sekundárni sprostredkovatelia), ktorými sú napr. cyklický AMP (cAMP), cyklický GMP (cGMP), Ca2+, inozitol-1,4,5-trifosfát (IP 3) A diacylglycerol (DAG). V tomto prípade väzba ligandu na membránový receptor mení intracelulárnu hladinu druhého posla, čo následne ovplyvňuje aktivitu proteínkinázy. Mnoho regulátorov -

špecifické molekuly ovplyvňujú bunkové procesy prostredníctvom signálnych transdukčných dráh zahŕňajúcich heterotrimérne GTP-viažuce proteíny (heterotrimérne G-proteíny) alebo monomérne GTP-viažuce proteíny (monomérne G-proteíny).

Keď sa molekuly ligandu viažu na membránové receptory, ktoré interagujú s heterotrimérnymi G proteínmi, G proteín sa prepne do aktívneho stavu väzbou na GTP. Aktivovaný G proteín potom môže interagovať s mnohými efektorové proteíny. najmä enzýmy ako napr adenylátcykláza, fosfodiesteráza, fosfolipázy C, A 2 A D. Táto interakcia spúšťa reťazce reakcií (obrázok 2-1), ktorých výsledkom je aktivácia rôznych proteínkináz, ako napr. proteínkináza A (PKA), proteínkináza G (PKG), proteínkináza C (PIS).

Všeobecne povedané, signálna transdukčná dráha zahŕňajúca G-proteíny - proteínkinázy zahŕňa nasledujúce kroky.

1. Ligand sa viaže na receptor na bunkovej membráne.

2. Receptor naviazaný na ligand, ktorý interaguje s G-proteínom, ho aktivuje a aktivovaný G-proteín viaže GTP.

3. Aktivovaný G-proteín interaguje s jednou alebo viacerými z nasledujúcich zlúčenín: adenylátcykláza, fosfodiesteráza, fosfolipázy C, A2, D, pričom ich aktivuje alebo inhibuje.

4. Intracelulárna hladina jedného alebo viacerých druhých poslov, ako je cAMP, cGMP, Ca2+, IP3 alebo DAG, sa zvyšuje alebo znižuje.

5. Zvýšenie alebo zníženie koncentrácie druhého posla ovplyvňuje aktivitu jednej alebo viacerých na ňom závislých proteínkináz, ako je cAMP-dependentná proteínkináza (proteínkináza A), cGMP-dependentná proteínkináza (PCG), kalmodulín-dependentná proteínkináza(CMPC), proteínkináza C. Zmena koncentrácie druhého posla môže aktivovať jeden alebo druhý iónový kanál.

6. Úroveň fosforylácie enzýmu alebo iónového kanála sa mení, čo ovplyvňuje aktivitu iónového kanála, čo spôsobuje konečnú odpoveď bunky.

Ryža. 2-1. Niektoré kaskády udalostí, ktoré sa v bunke realizujú vďaka sekundárnym mediátorom.

Označenia: * - aktivovaný enzým

Membránové receptory spojené s G proteínmi

Membránové receptory, ktoré sprostredkovávajú aktiváciu G-proteínov závislú od agonistu, tvoria špeciálnu rodinu proteínov s viac ako 500 členmi. Zahŕňa α- a β-adrenergné, muskarínový acetylcholín, serotonín, adenozín, čuchové receptory, rodopsín, ako aj receptory pre väčšinu peptidových hormónov. Členovia rodiny receptorov spojených s G proteínom majú sedem transmembránových a-helixov (obr. 2-2A), z ktorých každý obsahuje 22-28 prevažne hydrofóbnych aminokyselinových zvyškov.

Pre niektoré ligandy, ako je acetylcholín, epinefrín, norepinefrín a serotonín, sú známe rôzne podtypy receptorov spojených s G proteínom. Často sa líšia v afinite ku kompetitívnym agonistom a antagonistom.

Nasleduje (obr. 2-2 B) molekulárna organizácia adenylátcyklázy, enzýmu, ktorý produkuje cAMP (prvý objavený druhý posol). Regulačná dráha adenylátcyklázy sa považuje za klasickú dráhu prenosu signálu sprostredkovanú G-proteínom.

Adenylylcykláza slúži ako základ pre pozitívnu alebo negatívnu kontrolu signálnych transdukčných dráh cez G proteíny. V pozitívnej kontrole vedie väzba stimulačného ligandu, ako je epinefrín, pôsobiaci cez β-adrenergné receptory k aktivácii heterotrimérnych G proteínov s a podjednotkou typu as ("s" znamená stimuláciu). Aktivácia G proteínov typu Gs receptorom spojeným s ligandom spôsobí, že ako podjednotka sa viaže na GTP a potom sa oddelí od βγ-diméru.

Obrázok 2-2B ukazuje, ako fosfolipáza C štiepi fosfatidylinozitol 4,5-difosfát na inozitol-1,4,5-trifosfát a diacylglycerol. Obe látky, inozitol-1,4,5-trifosfát a diacylglycerol, sú druhými poslami. IP3 sa viaže na špecifické ligandovo závislé Ca2+ kanály endoplazmatického retikula a uvoľňuje z nich Ca2+; zvyšuje koncentráciu Ca 2+ v cytosóle. Diacylglycerol spolu s Ca 2+ aktivuje ďalšie dôležitá trieda proteínkináza - proteínkináza C.

Potom je znázornená štruktúra niektorých druhých poslov (obr. 2-2 D-F): cAMP, GMF,

cGMP.

Ryža. 2-2. Príklady molekulárnej organizácie niektorých štruktúr zapojených do signálnych transdukčných dráh.

A je receptor bunkovej membrány, ktorý viaže ligand na vonkajšom povrchu a heterotrimérny G-proteín vo vnútri. B - molekulárna organizácia adenylátcyklázy. B - štruktúra fosfatidylinozitol-4,5-difosfátu a inozitol-1,4,5-trifosfátu vytvoreného pôsobením fosfolipázy C a diacylglycerolu. D - štruktúra 3",5"-cyklického AMP (aktivátor proteínkinázy A). D - štruktúra HMF. E - štruktúra 3",5"-cyklického GMF (aktivátor proteínkinázy G)

Heterotrimérne G proteíny

Heterotrimérny G-proteín pozostáva z troch podjednotiek: a (40 000 - 45 000 Da), p (približne 37 000 Da) a y (8 000 - 10 000 Da). V súčasnosti je známych asi 20 rôznych génov, ktoré kódujú tieto podjednotky, vrátane aspoň štyroch génov cicavčích β-podjednotiek a približne siedmich génov cicavčích y-podjednotiek. Funkcia a špecifickosť G proteínu je zvyčajne, aj keď nie vždy, určená jeho a podjednotkou. Vo väčšine G proteínov sú β a γ podjednotky pevne spojené. Niektoré heterotrimérne G proteíny a transdukčné dráhy, na ktorých sa podieľajú, sú uvedené v tabuľke 1. 2-1.

Heterotrimérne G proteíny sprostredkúvajú medzi receptormi plazmatickej membrány viac ako 100 extracelulárnych regulačných látok a intracelulárne procesy, ktoré riadia. Vo všeobecnosti väzba regulačnej látky na jej receptor aktivuje G proteín, ktorý buď aktivuje alebo inhibuje enzým a/alebo spôsobí reťazec udalostí vedúcich k aktivácii určitých iónových kanálov.

Na obr. 2-3 prezentované všeobecný princíp práca heterotrimérnych G-proteínov. Vo väčšine G proteínov je a podjednotka "pracovnou jednotkou" heterotrimérnych G proteínov. Aktivácia väčšiny G proteínov má za následok konformačnú zmenu v tejto podjednotke. Neaktívne G proteíny existujú hlavne vo forme αβγ heterotrimérov,

s GDP na nukleotidových väzbových pozíciách. Interakcia heterotrimérnych G-proteínov s receptorom naviazaným na ligand vedie k transformácii α-podjednotky na aktívnu formu so zvýšenou afinitou k GTP a zníženou afinitou k βγ-komplexu. Výsledkom je, že aktivovaná a-podjednotka uvoľňuje GDP, pripája GTP a potom disociuje z βγ-diméru. Vo väčšine G proteínov potom disociovaná a podjednotka interaguje s efektorovými proteínmi v signálnej transdukčnej dráhe. Avšak v niektorých G proteínoch môže byť uvoľnený βγ-dimér zodpovedný za niektoré alebo všetky účinky komplexu receptor-ligand.

Činnosť niektorých iónových kanálov je priamo modulovaná G-proteínmi; bez účasti sekundárnych poslov. Napríklad väzba acetylcholínu na muskarínové M2 receptory v srdci a niektorých neurónoch vedie k aktivácii špeciálnej triedy K+ kanálov. V tomto prípade vedie väzba acetylcholínu na muskarínový receptor k aktivácii G proteínu. Jeho aktivovaná α-podjednotka sa potom oddelí od βγ-diméru a βγ-dimér priamo interaguje so špeciálnou triedou K+ kanálov, čím sa dostanú do otvoreného stavu. Väzba acetylcholínu na muskarínové receptory, ktorá zvyšuje vodivosť K+ kardiostimulátorových buniek v sinoatriálnom uzle srdca, je jedným z hlavných mechanizmov, ktorými parasympatické nervy spôsobujú zníženie srdcovej frekvencie.

Ryža. 2-3. Princíp fungovania heterotrimérnych GTP-viažucich proteínov (heterotrimérne G-proteíny).

Tabuľka 2-1.Niektoré heterotrimérne cicavčie proteíny viažuce GTP klasifikované na základe ich α-podjednotiek*

* V rámci každej triedy α-podjednotiek sa rozlišuje niekoľko izoforiem. Bolo identifikovaných viac ako 20 a-podjednotiek.

Monomérne G proteíny

Bunky obsahujú ďalšiu rodinu proteínov viažucich GTP tzv monomérny GTP-viažuce proteíny. Sú tiež známe ako G-proteíny s nízkou molekulovou hmotnosťou alebo malé G proteíny(molekulová hmotnosť 20 000-35 000 Da). Tabuľka 2-2 uvádza hlavné podtriedy monomérnych proteínov viažucich GTP a niektoré ich vlastnosti. Monomérne proteíny viažuce GTP podobné Ras a Rho sa podieľajú na dráhe prenosu signálu v štádiu prenosu signálu z tyrozínkinázy receptora rastového faktora k intracelulárnym efektorom. Medzi procesy regulované signálnymi transdukčnými dráhami, na ktorých sa podieľajú monomérne proteíny viažuce GTP, patrí predlžovanie polypeptidového reťazca pri syntéze proteínov, proliferácia a diferenciácia buniek, ich malígna transformácia, kontrola aktínového cytoskeletu, komunikácia medzi cytoskeletom.

a extracelulárna matrica, transport vezikúl medzi rôznymi organelami a exocytotická sekrécia.

Monomérne proteíny viažuce GTP, podobne ako ich heterotrimérne náprotivky, sú molekulárne prepínače, ktoré existujú v dvoch formách – aktivované „zapnuté“ a inaktivované „vypnuté“ (obr. 2-4 B). Avšak aktivácia a inaktivácia monomérnych GTP-viažucich proteínov vyžaduje ďalšie regulačné proteíny, o ktorých nie je známe, že by boli potrebné pre fungovanie heterotrimérnych G-proteínov. Aktivujú sa monomérne G proteíny proteíny uvoľňujúce guanín-nukleotid, ale sú deaktivované Proteíny aktivujúce GTPázu. Aktivácia a inaktivácia monomérnych GTP-viažucich proteínov je teda riadená signálmi, ktoré menia aktivitu proteíny uvoľňujúce guanín-nukleotid alebo Proteíny aktivujúce GTPázu skôr než priamym pôsobením na monomérne G-proteíny.

Ryža. 2-4. Princíp fungovania monomérnych GTP-viažucich proteínov (monomérne G-proteíny).

Tabuľka 2-2.Podrodiny monomérnych GTP-viažucich proteínov a nimi regulované niektoré vnútrobunkové procesy

Mechanizmus práce heterotrimérnych G-proteínov

Neaktívne G proteíny existujú primárne vo forme αβγ heterotrimérov, s GDP na ich nukleotidových väzbových pozíciách (obr. 2-5A). Interakcia heterotrimérnych G-proteínov s receptorom naviazaným na ligand vedie k premene α-podjednotky na aktívnu formu, ktorá má zvýšenú afinitu k GTP a zníženú afinitu k βγ-komplexu (obr. 2-5 B ). Vo väčšine heterotrimérnych G proteínov je to a-podjednotka, ktorá je štruktúrou prenášajúcou informácie. Aktivácia väčšiny G proteínov vedie ku konformačnej zmene v podjednotke a.

Výsledkom je, že aktivovaná α-podjednotka uvoľňuje GDP, pripája GTP (obr. 2-5C) a potom disociuje z βγ-diméru (obr. 2-5D). Vo väčšine G-proteínov disociovaná a-podjednotka okamžite interaguje s efektorovými proteínmi (E 1) v signálnej transdukčnej dráhe (obr. 2-5D). Avšak v niektorých G proteínoch môže byť uvoľnený βγ-dimér zodpovedný za všetky alebo niektoré z účinkov komplexu receptor-ligand. Potom βγ-dimér interaguje s efektorovým proteínom E2 (obr. 2-5 E). Ďalej je ukázané, že členovia rodiny RGS G-proteínu stimulujú hydrolýzu GTP (obr. 2-5 E). Toto inaktivuje α podjednotku a spája všetky podjednotky do αβγ heterotriméru.

Ryža. 2-5. Cyklus práce heterotrimérneho G-proteínu, ktorý spúšťa ďalší reťazec udalostí pomocou jehoα -podjednotky.

Označenia: R - receptor, L - ligand, E - efektorový proteín

Dráhy prenosu signálu cez heterotrimérne G proteíny

Obrázok 2-6A ukazuje tri ligandy, ich receptory spojené s rôznymi G proteínmi a ich molekulárne ciele. Adenylátcykláza je základom pre pozitívnu alebo negatívnu kontrolu signálnych transdukčných dráh, ktoré sú sprostredkované G proteínmi. V pozitívnej kontrole vedie väzba stimulačného ligandu, ako je norepinefrín, pôsobiaci cez β-adrenergné receptory k aktivácii heterotrimérnych G proteínov s a-podjednotkou typu α-S ("s" znamená stimuláciu). Preto sa takýto G proteín označuje ako G proteín GS-typu. Aktivácia G proteínov Gs-typu receptorom spojeným s ligandom spôsobí, že jeho podjednotka as sa naviaže na GTP a potom sa disociuje z β y diméru.

Na negatívnej alebo inhibičnej kontrole adenylátcyklázy sa podieľajú ďalšie regulačné látky, ako je epinefrín, pôsobiaci cez a2 receptory, alebo adenozín, pôsobiaci cez ai receptory, alebo dopamín, pôsobiaci cez D2 receptory. Tieto regulačné látky aktivujú proteíny Gi-typu G, ktoré majú a-podjednotku ai typu ("i" znamená inhibíciu). Väzba inhibičného ligandu na jeho

receptor aktivuje G i-typ G-proteínov a spôsobuje disociáciu jeho ai-podjednotky od βγ-diméru. Aktivovaná ai-podjednotka sa viaže na adenylátcyklázu a inhibuje jej aktivitu. Okrem toho βγ-diméry môžu viazať voľné as-podjednotky. Týmto spôsobom väzba βγ-dimérov na voľnú podjednotku α s ďalej potláča stimuláciu adenylátcyklázy blokovaním účinku stimulačných ligandov.

Iná trieda extracelulárnych agonistov (obr. 2-6 A) sa viaže na receptory, ktoré prostredníctvom G proteínu nazývaného Gq aktivujú β-izoformu fosfolipázy C. Štiepi fosfatidylinozitol-4,5-difosfát (fosfolipid prítomný v malých množstvá v plazmatickej membráne) na inozitol-1,4,5-trifosfát a diacylglycerol, ktoré sú sekundárnymi prenášačmi. IP 3 sa viaže na špecifické ligandovo závislé Ca 2+ kanály endoplazmatického retikula a uvoľňuje z nich Ca 2+; zvyšuje koncentráciu Ca 2+ v cytosóle. Ca2+ kanály endoplazmatického retikula sa podieľajú na elektromechanickej väzbe v kostrovom a srdcovom svale. Diacylglycerol spolu s Ca 2+ aktivuje proteínkinázu C. Medzi jeho substráty patria napríklad proteíny podieľajúce sa na regulácii bunkového delenia.

Ryža. 2-6. Príklady signálnych transdukčných dráh cez heterotrimérne G proteíny.

A - v uvedených troch príkladoch vedie väzba neurotransmitera k receptoru k aktivácii G-proteínu a následnému začleneniu dráh druhého posla. Gs, Gq a G znamenajú tri rôzne druhy heterotrimérne G proteíny. B - regulácia bunkových proteínov fosforyláciou vedie k zvýšeniu alebo inhibícii ich aktivity, a to zase určuje bunkovú odpoveď potrebnú pre telo. Fosforylácia proteínov sa uskutočňuje proteínkinázami a defosforylácia proteínfosfatázami. Proteínkináza prenáša fosfátovú skupinu (Pi) z ATP na serínové, treonínové alebo tyrozínové zvyšky proteínov. Táto fosforylácia reverzibilne mení štruktúru a funkciu bunkových proteínov. Oba typy enzýmov, kinázy a fosfatázy, sú regulované rôznymi intracelulárnymi druhými poslami.

Aktivačné dráhy pre intracelulárne proteínkinázy

Interakcia heterotrimérnych G-proteínov s receptorom naviazaným na ligand vedie k premene α-podjednotky na aktívnu formu, ktorá má zvýšenú afinitu k GTP a zníženú afinitu k βγ-komplexu. Aktivácia väčšiny G proteínov vedie ku konformačnej zmene v a-podjednotke, ktorá uvoľňuje GDP, pripája GTP a potom disociuje z βγ-diméru. Ďalej, disociovaná a-podjednotka interaguje s efektorovými proteínmi v signálnej transdukčnej dráhe.

Obrázok 2-7A ukazuje aktiváciu heterotrimérnych proteínov Gs-typu G s podjednotkou αs typu α, ku ktorej dochádza v dôsledku väzby na ligand receptora a vedie k tomu, že αs-podjednotka Gs-typu G proteíny viažu GTP a potom disociujú z βγ-diméru a potom interagujú s adenylátcyklázy. To vedie k zvýšeniu hladín cAMP a aktivácii PKA.

Obrázok 2-7B demonštruje aktiváciu heterotrimérnych proteínov Gt-typu G s podjednotkou ct typu α, ku ktorej dochádza v dôsledku väzby na ligand receptora a vedie k tomu, že αt-podjednotka typu Gt G proteíny sa aktivujú a potom disociujú z βγ-diméru a potom interagujú s fosfodiesterázy. To vedie k zvýšeniu hladín cGMP a aktivácii PKG.

α 1 katecholamínový receptor interaguje s podjednotkou Gaq, ktorá aktivuje fosfolipázu C. Obrázok 2-7B ukazuje aktiváciu heterotrimérnych proteínov G αq-typu G s α-podjednotkou αq typu, ku ktorej dochádza v dôsledku väzby ligandu na receptor a vedie k tomu, že αq-podjednotka G-proteínov Gαq-typu je aktivovaná a potom disociuje z βγ-diméru a potom interaguje s fosfolipáza C.Štiepi fosfatidylinozitol-4,5-difosfát na IP 3 a DAG. To má za následok zvýšenie úrovne IP 3 a DAG. IP3, väzba na špecifické ligandovo závislé Ca2+ kanály endoplazmatického retikula,

uvoľňuje z neho Ca 2+. DAG spôsobuje aktiváciu proteínkinázy C. V nestimulovanej bunke je značné množstvo tohto enzýmu v cytosóle v neaktívnej forme. Ca 2+ spôsobuje, že sa proteínkináza C naviaže na vnútorný povrch plazmatickej membrány. Tu môže byť enzým aktivovaný diacylglycerolom, ktorý vzniká pri hydrolýze fosfatidylinozitol-4,5-difosfátu. Membránový fosfatidylserín môže byť tiež aktivátorom proteínkinázy C, ak je enzým v membráne.

Bolo popísaných asi 10 izoforiem proteínkinázy C. Hoci niektoré z nich sú prítomné v mnohých cicavčích bunkách, subtypy γ a ε sa nachádzajú najmä v bunkách centrálnej nervový systém. Podtypy proteínkinázy C sa líšia nielen distribúciou v tele, ale zjavne aj mechanizmami regulácie ich aktivity. Niektoré z nich v nestimulovaných bunkách sú spojené s plazmatickou membránou; nevyžadujú zvýšenie koncentrácie Ca 2+ na aktiváciu. Niektoré izoformy proteínkinázy C sú aktivované kyselinou arachidónovou alebo inými nenasýtenými mastnými kyselinami.

K počiatočnej krátkodobej aktivácii proteínkinázy C dochádza pôsobením diacylglycerolu, ktorý sa uvoľňuje pri aktivácii fosfolipázy C β, a tiež vplyvom Ca 2+ uvoľneného z intracelulárneho skladovania pomocou IP 3 . Dlhotrvajúca aktivácia proteínkinázy C je spúšťaná receptorovo závislými fosfolipázami A2 a D. Pôsobia primárne na fosfatidylcholín, hlavný membránový fosfolipid. Fosfolipáza A 2 z nej oddeľuje mastnú kyselinu v druhej polohe (zvyčajne nenasýtenú) a lyzofosfatidylcholín. Oba tieto produkty aktivujú určité izoformy proteínkinázy C. Receptorovo závislá fosfolipáza D štiepi fosfatidylcholín za vzniku kyseliny fosfatidovej a cholínu. Kyselina fosfatidová sa ďalej štiepi na diacylglycerol, ktorý sa podieľa na dlhodobej stimulácii proteínkinázy C.

Ryža. 2-7. Základné princípy aktivácie proteínkinázy A, proteínkinázy G a proteínkinázy C.

Označenia: R - receptor, L - ligand

cAMP-dependentná proteínkináza (proteínkináza A) a súvisiace signálne dráhy

V neprítomnosti cAMP sa cAMP-dependentná proteínkináza (proteínkináza A) skladá zo štyroch podjednotiek: dvoch regulačných a dvoch katalytických. Vo väčšine typov buniek je katalytická podjednotka rovnaká, zatiaľ čo regulačné podjednotky sú vysoko špecifické. Prítomnosť regulačných podjednotiek takmer úplne potláča enzymatickú aktivitu komplexu. Aktivácia enzymatickej aktivity cAMP-dependentnej proteínkinázy by teda mala zahŕňať oddelenie regulačných podjednotiek od komplexu.

K aktivácii dochádza v prítomnosti mikromolárnych koncentrácií cAMP. Každá regulačná podjednotka viaže dve zo svojich molekúl. Väzba cAMP indukuje konformačné zmeny v regulačných podjednotkách a znižuje afinitu ich interakcie s katalytickými podjednotkami. V dôsledku toho sa regulačné podjednotky oddelia od katalytických podjednotiek a katalytické podjednotky sa aktivujú. Aktívna katalytická podjednotka fosforyluje cieľové proteíny na určitých serínových a treonínových zvyškoch.

Porovnanie sekvencií aminokyselín cAMP-dependentných a iných tried proteínkináz ukazuje, že napriek veľkým rozdielom v ich regulačných vlastnostiach sú všetky tieto enzýmy vysoko homológne v primárnej štruktúre strednej časti. Táto časť obsahuje doménu viažucu ATP a aktívne miesto enzýmu, ktoré zabezpečuje prenos fosfátu z ATP do akceptorového proteínu. Grafy kináz mimo tohto katalytického jadra proteínu sa podieľajú na regulácii kinázovej aktivity.

Bola tiež stanovená kryštálová štruktúra katalytickej podjednotky cAMP-dependentnej proteínkinázy. Katalytická stredná časť molekuly, ktorá je prítomná vo všetkých známych proteínkinázach, pozostáva z dvoch lalokov. Menší podiel obsahuje nezvyčajné miesto viažuce ATP, zatiaľ čo väčší podiel obsahuje miesto viažuce peptid. Mnohé proteínkinázy tiež obsahujú regulačnú oblasť známu ako pseudosubstrátová doména. Podľa sekvencie aminokyselín sa podobá fosforylovaným oblastiam substrátových proteínov. Pseudosubstrátová doména väzbou na aktívne miesto proteínkinázy inhibuje fosforyláciu skutočných substrátov proteínkinázy. Aktivácia kinázy môže zahŕňať fosforyláciu alebo nekovalentnú alosterickú modifikáciu proteínkinázy, aby sa eliminoval inhibičný účinok pseudosubstrátovej domény.

Ryža. 2-8. cAMP-dependentná proteínkináza A a ciele.

Keď sa epinefrín naviaže na príslušný receptor, aktivácia podjednotky α s stimuluje adenylátcyklázu so zvýšením hladín cAMP. cAMP aktivuje proteínkinázu A, ktorá má fosforyláciou tri hlavné účinky. (1) Proteínkináza A aktivuje glykogénfosforylázovú kinázu, ktorá fosforyluje a aktivuje glykogénfosforylázu. (2) Proteínkináza A inaktivuje glykogénsyntázu a tým znižuje produkciu glykogénu. (3) Proteínkináza A aktivuje inhibítor fosfoproteínfosfatázy-1 a tým inhibuje fosfatázu. Celkovým účinkom je koordinácia zmien hladín glukózy.

Označenia: UDP-glukóza - uridíndifosfát glukóza

Hormonálna regulácia aktivity adenylátcyklázy

Obrázok 2-9A ukazuje hlavný mechanizmus stimulácie a inhibície adenylátcyklázy vyvolanej hormónmi. Interakcia ligandu s receptorom asociovaným s podjednotkou α s typu α (stimulačná) spôsobuje aktiváciu adenylátcyklázy, zatiaľ čo interakcia ligandu s receptorom) asociovaného s podjednotkou α i typu α (inhibičná) spôsobuje inhibíciu enzým. Podjednotka G βγ je identická v stimulačných aj inhibičných G proteínoch. Ga-podjednotky a receptory sú rôzne. Ligandom stimulovaná tvorba aktívnych komplexov Ga GTP sa vyskytuje prostredníctvom rovnakých mechanizmov v proteínoch Gas aj Gai. Avšak Gas GTP a Gai GTP interagujú odlišne s adenylátcyklázou. Jeden (Gαs GTP) stimuluje a druhý Gαi GTP) inhibuje jeho katalytickú aktivitu.

Obrázok 2-9B ukazuje mechanizmus aktivácie a inhibície adenylátcyklázy indukovanej určitými hormónmi. P1-, P2- a D1-receptory interagujú s podjednotkami, ktoré aktivujú adenylátcyklázu a zvyšujú hladinu cAMP. Receptory a2 a D2 interagujú s podjednotkami Gai, ktoré inhibujú adenylátcyklázu. (Pokiaľ ide o α1 receptor, interaguje s G podjednotkou, ktorá aktivuje fosfolipázu C.) Uvažujme jeden z príkladov znázornených na obrázku. Adrenalín sa viaže na β 1 ​​receptor, čo vedie k aktivácii G αs proteínu, ktorý stimuluje adenylátcyklázu. To vedie k zvýšeniu intracelulárnej hladiny cAMP, a teda k zvýšeniu aktivity PKA. Na druhej strane sa norepinefrín viaže na α2 receptor, čo vedie k aktivácii proteínu Gai, ktorý inhibuje adenylátcyklázu a tým znižuje intracelulárnu hladinu cAMP, čím sa znižuje aktivita PKA.

Ryža. 2-9. Ligandom (hormónom) indukovaná aktivácia a inhibícia adenylátcyklázy.

A je základný mechanizmus. B - mechanizmus vo vzťahu k špecifickým hormónom

Proteínkináza C a súvisiace signálne dráhy

Receptor α 1 interaguje s podjednotkou Gaq proteínu G, ktorá aktivuje fosfolipázu C. Fosfolipáza C štiepi fosfatidylinozitol 4,5-difosfát na IP 3 a DAG. IP 3 sa viaže na špecifické ligandovo závislé Ca 2+ kanály endoplazmatického retikula a uvoľňuje z nich Ca 2+; zvyšuje koncentráciu Ca 2+ v cytosóle. DAG spôsobuje aktiváciu proteínkinázy C. V nestimulovanej bunke je tento enzým v cytosóle v neaktívnom

formulár. Ak cytosolická hladina Ca 2+ stúpa, Ca 2+ interaguje s proteínkinázou C, čo vedie k naviazaniu proteínkinázy C na vnútorný povrch bunkovej membrány. V tejto polohe je enzým aktivovaný diacylglycerolom, ktorý vzniká pri hydrolýze fosfatidylinozitol-4,5-difosfátu. Membránový fosfatidylserín môže byť tiež aktivátorom proteínkinázy C, ak je enzým v membráne.

Tabuľka 2-3 uvádza cicavčie izoformy proteínkinázy C a vlastnosti týchto izoforiem.

Tabuľka 2-3.Vlastnosti izoforiem cicavčej proteínkinázy C

DAG - diacylglycerol; FS - fosfatidylserín; FFA - cis-nenasýtené mastné kyseliny; LPC - lyzofosfatidylcholín.

Ryža. 2-10. Signálne dráhy diacylglycerolu/inozitol-1,4,5-trifosfátu

Fosfolipázy a súvisiace signálne dráhy s použitím kyseliny arachidónovej ako príkladu

Niektoré agonisty sa aktivujú prostredníctvom G proteínov fosfolipáza A2, ktorý pôsobí na membránové fosfolipidy. Produkty ich reakcií môžu aktivovať proteínkinázu C. Najmä fosfolipáza A2 oddeľuje mastnú kyselinu umiestnenú v druhej polohe od fosfolipidov. Vzhľadom na to, že niektoré fosfolipidy obsahujú v tejto polohe kyselinu arachidónovú, fosfolipázou A2 sa štiepením týchto fosfolipidov uvoľňuje jej značné množstvo.

Vyššie opísaná signálna dráha kyseliny arachidónovej spojená s fosfolipázou A2 sa nazýva priama. Nepriama cesta aktivácie kyseliny arachidónovej je spojená s fosfolipázou Cp.

Samotná kyselina arachidónová je efektorovou molekulou a okrem toho slúži ako prekurzor pre intracelulárnu syntézu prostaglandíny, prostacyklíny, tromboxány A leukotriény- dôležité triedy regulačných molekúl. Kyselina arachidónová vzniká aj z produktov rozkladu diacylglycerolov.

Z kyseliny arachidónovej sa syntetizujú prostaglandíny, prostacyklíny a tromboxány. dráha závislá od cyklooxygenázy a leukotriény dráha závislá od lipoxygenázy. Jedným z protizápalových účinkov glukokortikoidov je práve inhibícia fosfolipázy A 2, ktorá uvoľňuje kyselinu arachidónovú z fosfolipidov. Kyselina acetylsalicylová(aspirín  ) a iné nesteroidné protizápalové lieky inhibujú oxidáciu kyseliny arachidónovej cyklooxygenázou.

Ryža. 2-11. Signálne dráhy kyseliny arachidónovej.

Označenia: PG - prostaglandín, LH - leukotrién, GPETE - hydroperoxyeikózatetraenoát, HETE - hydroxyeikózatetraenoát, EPR - endoplazmatické retikulum

Kalmodulín: štruktúra a funkcie

Množstvo životne dôležitých bunkových procesov, vrátane uvoľňovania neurotransmiterov, sekrécie hormónov a svalových kontrakcií, je regulovaných hladinami cytosolického Ca2+. Jedným zo spôsobov, ako tento ión ovplyvňuje bunkové procesy, je väzba na kalmodulín.

kalmodulín- proteín s molekulovou hmotnosťou 16 700 (obr. 2-12 A). Je prítomný vo všetkých bunkách, niekedy tvorí až 1 % ich celkového obsahu bielkovín. Kalmodulín viaže štyri ióny vápnika (obr. 2-12 B a C), po ktorých tento komplex reguluje aktivitu rôznych intracelulárnych proteínov, z ktorých mnohé nesúvisia s proteínkinázami.

Ca 2+ komplex s kalmodulínom tiež aktivuje kalmodulín-dependentné proteínkinázy. Špecifické kalmodulín-dependentné proteínkinázy fosforylujú špecifické efektorové proteíny, ako sú myozínové regulačné ľahké reťazce, fosforyláza a elongačný faktor II. Multifunkčné kalmodulín-dependentné proteínkinázy fosforylujú početné jadrové, cytoskeletálne alebo membránové proteíny. Niektoré kalmodulín-dependentné proteínkinázy, ako je kináza

myozínový ľahký reťazec a fosforylázová kináza pôsobia iba na jeden bunkový substrát, zatiaľ čo iné sú polyfunkčné a fosforylujú viac ako jeden substrátový proteín.

Kalmodulín-dependentná proteínkináza II patrí k hlavným proteínom nervového systému. V niektorých oblastiach mozgu tvorí až 2 % z celkového množstva bielkovín. Táto kináza sa podieľa na mechanizme, ktorým zvýšenie koncentrácie Ca 2+ v nervovom zakončení spôsobuje uvoľnenie neurotransmiteru exocytózou. Jeho hlavným substrátom je proteín tzv synapsín I prítomné v nervových zakončeniach a spojené s vonkajším povrchom synaptických vezikúl. Keď je synapsín I naviazaný na vezikuly, zabraňuje exocytóze. Fosforylácia synapsínu I spôsobuje jeho oddelenie od vezikúl, čo im umožňuje uvoľniť neurotransmiter do synaptickej štrbiny exocytózou.

Myozín kináza ľahkého reťazca hrá dôležitá úloha pri regulácii kontrakcie hladkého svalstva. Zvýšenie cytosolickej koncentrácie Ca2+ v bunkách hladkého svalstva aktivuje kinázu ľahkého reťazca myozínu. Fosforylácia regulačných ľahkých reťazcov myozínu vedie k predĺženej kontrakcii buniek hladkého svalstva.

Ryža. 2-12. kalmodulín.

A - kalmodulín bez vápnika. B - väzba vápnika na kalmodulín a peptidový cieľ. B - schéma prepojenia.

Označenia: EF - Ca 2+ -väzbové domény kalmodulínu

Receptory s vlastnou enzymatickou aktivitou (katalytické receptory)

Hormóny a rastové faktory sa viažu na proteíny bunkového povrchu, ktoré majú enzymatickú aktivitu na cytoplazmatickej strane membrány. Obrázok 2-13 ukazuje päť tried katalytických receptorov.

Jeden z charakteristických príkladov transmembrány receptory s guanylátcyklázovou aktivitou, atriálny natriuretický peptidový (ANP) receptor. Membránový receptor, na ktorý sa ANP viaže, je nezávislý od uvažovaných systémov prenosu signálu. Vyššie bolo opísané pôsobenie extracelulárnych agonistov, ktoré väzbou na membránové receptory buď aktivujú adenylátcyklázu prostredníctvom G s proteínov alebo ju inhibujú prostredníctvom Gi. Membránové receptory pre ANP sú zaujímavé, pretože samotné receptory majú aktivitu guanylátcyklázy stimulovanú väzbou ANP na receptor.

ANP receptory majú extracelulárnu ANP väzbovú doménu, jeden transmembránový helix a intracelulárnu guanylát cyklázovú doménu. Väzba ANP na receptor zvyšuje intracelulárnu hladinu cGMP, ktorá stimuluje cGMP-dependentnú proteínkinázu. Na rozdiel od cAMP-dependentnej proteínkinázy, ktorá má regulačné a katalytické podjednotky, sú regulačné a katalytické domény cGMP-dependentnej proteínkinázy umiestnené na rovnakom polypeptidovom reťazci. cGMP-dependentná kináza potom fosforyluje intracelulárne proteíny, čo vedie k rôznym bunkovým reakciám.

Receptory s aktivitou serín-treonínkinázy fosforylujú proteíny iba na serínových a/alebo treonínových zvyškoch.

Ďalšia rodina membránových receptorov, ktoré nie sú spojené s G-proteínmi, pozostáva z proteínov s vlastnou tyrozín-proteínkinázovou aktivitou. Receptory s vlastnou tyrozín-proteínkinázovou aktivitou sú proteíny s glykozylovanou extracelulárnou doménou, jedinou

transmembránová oblasť a intracelulárna doména s tyrozín-proteínkinázovou aktivitou. Napríklad naviazanie agonistu na ne nervový rastový faktor (NGF), stimuluje aktivitu tyrozín-proteínkinázy, ktorá fosforyluje špecifické efektorové proteíny na určitých tyrozínových zvyškoch. Väčšina receptorov rastových faktorov sa dimerizuje, keď sa na ne viaže NGF. Je to dimerizácia receptora, ktorá vedie k objaveniu sa aktivity tyrozín proteínkinázy v ňom. Aktivované receptory sa často fosforylujú, čo sa nazýva autofosforylácia.

Do nadrodiny peptidové receptory označované ako inzulínové receptory. Je to tiež tyrozín proteínkináza. V podtriede receptorov patriacich do rodiny inzulínových receptorov existuje neligandový receptor ako disulfidovo spojený dimér. Interakcia s inzulínom vedie ku konformačným zmenám v oboch monoméroch, čo zvyšuje väzbu inzulínu, aktivuje receptorovú tyrozínkinázu a vedie k zvýšenej autofosforylácii receptora.

Väzba hormónu alebo rastového faktora na jeho receptor spúšťa rôzne bunkové reakcie, vrátane vstupu Ca2+ do cytoplazmy, zvýšeného metabolizmu Na+/H+, stimulácie vychytávania aminokyselín a cukrov, stimulácie fosfolipázy Cβ a hydrolýzy fosfatidylinozitoldifosfátu.

Receptory rastový hormón, prolaktín A erytropoetín, ako aj receptory interferón a mnoho cytokíny neslúžia priamo ako proteínkinázy. Po aktivácii však tieto receptory tvoria signálne komplexy s intracelulárnymi tyrozín proteínkinázami, ktoré spúšťajú ich intracelulárne účinky. Preto nie sú skutočnými receptormi s vlastnou tyrozín-proteínkinázovou aktivitou, ale jednoducho sa na ne viažu.

Na základe štruktúry možno predpokladať, že transmembránové tyrozín-proteín fosfatáza sú tiež receptory a ich tyrozín-proteínfosfatázová aktivita je modulovaná extracelulárnymi ligandami.

Ryža. 2-13. katalytické receptory.

A - guanylcyklázový receptor, B - receptor s aktivitou serín-treonínkinázy, C - receptor s vlastnou tyrozín-proteínkinázovou aktivitou, D - receptory spojené s tyrozín-proteínkinázovou aktivitou

Tyrozín-proteínkinázy spojené s receptorom na príklade interferónových receptorov

Interferónové receptory nie sú priamo proteínkinázy. Po aktivácii tieto receptory tvoria signálne komplexy s intracelulárnymi tyrozín proteínkinázami, ktoré spúšťajú ich intracelulárne účinky. To znamená, že to nie sú skutočné receptory s vlastnou tyrozín-proteínkinázovou aktivitou, ale jednoducho sa na ne viažu. Takéto receptory sa nazývajú receptor-asociované (receptor-dependentné) tyrozín proteínkinázy.

Mechanizmy, ktorými tieto receptory pôsobia, sa spúšťajú, keď sa hormón naviaže na receptor, čo spôsobí jeho dimerizáciu. Receptorový dimér viaže jeden alebo viac členov Janus-rodina tyrozínových proteínkináz (JAK). JAK potom kríž

fosforylujú navzájom, ako aj receptor. Členovia rodiny signálnych transduktorov a aktivátorov transkripcie (STAT) viažu fosforylované domény na komplexe receptor-JAK. STAT proteíny sú fosforylované JAK kinázami a potom oddelené od signálneho komplexu. Nakoniec fosforylované STAT proteíny tvoria diméry, ktoré sa pohybujú smerom k jadru, aby aktivovali transkripciu určitých génov.

Špecifickosť receptora pre každý hormón závisí čiastočne od špecificity členov rodiny JAK alebo STAT, ktoré sa kombinujú za vzniku signálneho komplexu. V niektorých prípadoch signálny komplex tiež aktivuje kaskádu MAP (proteín aktivujúci mitogén) kináz prostredníctvom adaptorových proteínov používaných receptorovými tyrozínkinázami. Niektoré z reakcií ligandu receptorovej tyrozínkinázy tiež zahŕňajú dráhy JAK a STAT.

Ryža. 2-14. Príklad katalytických receptorov spojených s aktivitou tyrozín-proteínkinázy. Receptor aktivovaný α -interferón (A) aγ -interferón (B)

Monomérne G proteíny podobné ras a ich sprostredkované transdukčné dráhy

Ligand, ako je rastový faktor, sa viaže na receptor, ktorý má vlastnú tyrozín proteínkinázovú aktivitu, čo vedie k zvýšeniu transkripcie v 10-krokovom procese. Monomérne GTP-viažuce proteíny podobné ras sa podieľajú na dráhe prenosu signálu v štádiu prenosu signálu z receptorov s vlastnou tyrozín-proteínkinázovou aktivitou (napríklad receptory rastového faktora) k intracelulárnym efektorom. Aktivácia a inaktivácia monomérnych GTP-viažucich proteínov vyžaduje ďalšie regulačné proteíny. Monomérne G proteíny sú aktivované proteínmi uvoľňujúcimi guanínový nukleotid (GNRP) a inaktivované proteínmi aktivujúcimi GTPázu (GAP).

Monomérne GTP-viažuce proteíny z rodiny Ras sprostredkovávajú väzbu mitogénnych ligandov a ich tyrozín-proteínkinázových receptorov, čo spúšťa intracelulárne procesy vedúce k bunkovej proliferácii. Keď sú proteíny Ras neaktívne, bunky nereagujú na rastové faktory pôsobiace prostredníctvom tyrozínkinázových receptorov.

Aktivácia Ras spúšťa dráhu prenosu signálu, ktorá nakoniec vedie k transkripcii určitých génov, ktoré podporujú rast buniek. Kaskáda MAP kinázy (MAPK) je zapojená do odpovedí, keď je aktivovaný Ras. Proteínkináza C tiež aktivuje MAP kinázovú kaskádu. Zdá sa teda, že kaskáda kinázy MAP je dôležitým konvergenčným bodom pre rôzne účinky vyvolávajúce bunkovú proliferáciu. Okrem toho existuje kríženie medzi proteínkinázou C a tyrozínkinázami. Napríklad y izoforma fosfolipázy C je aktivovaná väzbou na aktivovaný proteín Ras. Táto aktivácia sa prenáša na proteínkinázu C počas stimulácie hydrolýzy fosfolipidov.

Obrázok 2-15 zobrazuje mechanizmus s 10 krokmi.

1. Väzba ligandu vedie k dimerizácii receptora.

2. Aktivovaná tyrozín proteínkináza (RTK) sa sama fosforyluje.

3.GRB 2 (proteín viazaný na receptor rastového faktora-2), proteín obsahujúci SH2, rozpoznáva fosfotyrozínové zvyšky na aktivovanom receptore.

4.Väzba GRB 2 obsahuje SOS (syn siedmich) výmenný proteín guanínový nukleotid.

5.SOS aktivuje Ras a vytvára GTP namiesto GDP na Ras.

6. Aktívny komplex Ras-GTP aktivuje ďalšie proteíny ich fyzikálnym začlenením do plazmatickej membrány. Aktívny komplex Ras-GTP interaguje s N-koncovou časťou serín-treonínkinázy Raf-1 (známej ako proteín aktivujúci mitogén, MAP), prvou zo série aktivovaných proteínkináz, ktoré prenášajú aktivačný signál do bunkové jadro.

7. Raf-1 fosforyluje a aktivuje proteínkinázu s názvom MEK, ktorá je známa ako MAP kináza kináza (MAPKK). MEK je multifunkčná proteínkináza, ktorá fosforyluje substráty tyrozínových a serínových/treonínových zvyškov.

8.MEK fosforyluje MAP kinázu (MAPK), čo je tiež spôsobené extracelulárnou signálno - regulačnou kinázou (ERK 1 , ERK 2). Aktivácia MAPK vyžaduje dvojitú fosforyláciu na susedných serínových a tyrozínových zvyškoch.

9. MAPK slúži ako kritická efektorová molekula pri prenose signálu závislej od Ras, pretože fosforyluje mnoho bunkových proteínov po mitogénnej stimulácii.

10. Aktivovaná MAPK sa prenesie do jadra, kde fosforyluje transkripčný faktor. Vo všeobecnosti aktivovaný Ras aktivuje MAP

prepojením naň. Táto kaskáda vedie k fosforylácii a aktivácii MAP kinázy, ktorá následne fosforyluje transkripčné faktory, proteínové substráty a iné proteínkinázy dôležité pre bunkové delenie a iné reakcie. Aktivácia ras závisí od väzby adaptorových proteínov na fosfotyrozínové domény na receptoroch aktivovaných rastovým faktorom. Tieto adaptorové proteíny sa pripájajú a aktivujú GNRF (guanínový nukleotidový výmenný proteín), ktorý aktivuje Ras.

Ryža. 2-15. Regulácia transkripcie monomérnymi G-proteínmi podobnými Ras spúšťaným z receptora s vlastnou tyrozín-proteínkinázovou aktivitou

Regulácia transkripcie proteínom interagujúcim s elementom DNA závislým od cAMP (CREB)

CREB, široko distribuovaný transkripčný faktor, je normálne spojený s oblasťou DNA nazývanou CRE (cAMP odozvový prvok). V neprítomnosti stimulácie je CREB defosforylovaný a neovplyvňuje transkripciu. Početné dráhy signálnej transdukcie prostredníctvom aktivácie kináz (ako je PKA, Ca2+/kalmodulín kináza IV, MAP kináza) vedú k fosforylácii CREB. Fosforylovaný CREB sa viaže CBP(CREB-viažuci proteín- proteín viažuci CREB), ktorý má doménu, ktorá stimuluje transkripciu. Paralelne fosforylácia aktivuje PP1

(fosfoproteín fosfatáza 1), ktorý defosforyluje CREB, čo vedie k zastaveniu transkripcie.

Ukázalo sa, že aktivácia mechanizmu sprostredkovaného CREB je dôležitá pre implementáciu takých vyšších kognitívnych funkcií, ako je učenie a pamäť.

Obrázok 2-15 tiež ukazuje štruktúru cAMP-dependentnej PKA, ktorá v neprítomnosti cAMP pozostáva zo štyroch podjednotiek: dvoch regulačných a dvoch katalytických. Prítomnosť regulačných podjednotiek inhibuje enzymatickú aktivitu komplexu. Väzba cAMP indukuje konformačnú zmenu v regulačných podjednotkách, čo vedie k oddeleniu regulačných podjednotiek od katalytických. Katalytický PKA vstupuje do bunkového jadra a spúšťa vyššie uvedený proces.

Ryža. 2-16. Regulácia génovej transkripcie pomocou CREB (cAMP responzívny prvok viažuci proteín) prostredníctvom zvýšenia hladiny cyklického adenozínmonofosfátu

Stručný opis:

Edukačný materiál z biochémie a molekulárnej biológie: Štruktúra a funkcie biologických membrán.

MODUL 4: ŠTRUKTÚRA A FUNKCIE BIOLOGICKÝCH MEMBRÁN

_Témy _

4.1. Všeobecné vlastnosti membrán. Štruktúra a zloženie membrán

4.2. Transport látok cez membrány

4.3. Transmembránová signalizácia _

Ciele vzdelávania Byť schopný:

1. Interpretujte úlohu membrán pri regulácii metabolizmu, transporte látok do bunky a odstraňovaní metabolitov.

2. Vysvetlite molekulárne mechanizmy pôsobenie hormónov a iných signálnych molekúl na cieľové orgány.

Vedieť:

1. Štruktúra biologických membrán a ich úloha v metabolizme a energii.

2. Hlavné spôsoby prenosu látok cez membrány.

3. Hlavné zložky a štádiá transmembránovej signalizácie hormónov, mediátorov, cytokínov, eikozanoidov.

TÉMA 4.1. VŠEOBECNÉ CHARAKTERISTIKY MEMBRÁN.

ŠTRUKTÚRA A ZLOŽENIE MEMBRÁN

Všetky bunky a intracelulárne organely sú obklopené membránami, ktoré zohrávajú dôležitú úlohu v ich štruktúrnej organizácii a fungovaní. Základné princípy konštrukcie všetkých membrán sú rovnaké. Plazmatická membrána, ako aj membrány endoplazmatického retikula, Golgiho aparátu, mitochondrií a jadra však majú výrazné štruktúrne znaky, sú jedinečné svojim zložením a charakterom svojich funkcií.

Membrána:

Oddeľte bunky od prostredia a rozdeľte ich na kompartmenty (kompartmenty);

Regulovať transport látok do buniek a organel a naopak;

Poskytnite špecifickosť medzibunkových kontaktov;

Prijímajú signály z okolia.

Koordinované fungovanie membránových systémov vrátane receptorov, enzýmov, dopravných systémov, pomáha udržiavať bunkovú homeostázu a rýchlo reagovať na zmeny stavu vonkajšieho prostredia reguláciou metabolizmu v bunkách.

Biologické membrány sú tvorené lipidmi a proteínmi, ktoré sú navzájom spojené nekovalentné interakcie. Základom membrány je dvojitá lipidová vrstva ktorý zahŕňa proteínové molekuly (obr. 4.1). Lipidová dvojvrstva je tvorená dvoma radmi amfifilné molekuly, ktorých hydrofóbne „chvosty“ sú skryté vo vnútri a hydrofilné skupiny – polárne „hlavičky“ sú otočené smerom von a sú v kontakte s vodným prostredím.

1. Membránové lipidy. Membránové lipidy obsahujú nasýtené aj nenasýtené mastné kyseliny. Nenasýtené mastné kyseliny sú dvakrát častejšie ako nasýtené mastné kyseliny, čo určuje plynulosť membrán a konformačná labilita membránových proteínov.

V membránach sú tri hlavné typy lipidov – fosfolipidy, glykolipidy a cholesterol (obr. 4.2 – 4.4). Najčastejšie nájdené Glycerofosfolipidy sú deriváty kyseliny fosfatidovej.

Ryža. 4.1. Prierez plazmatickou membránou

Ryža. 4.2. Glycerofosfolipidy.

Kyselina fosfatidová je diacylglycerolfosfát. R1, R2 - radikály mastných kyselín (hydrofóbne "chvosty"). Zvyšok polynenasýtenej mastnej kyseliny je spojený s druhým atómom uhlíka glycerolu. Polárna „hlava“ je zvyšok kyseliny fosforečnej a na ňu naviazaná hydrofilná skupina serínu, cholínu, etanolamínu alebo inozitolu.

Existujú aj lipidy - deriváty aminoalkohol sfingozín.

Aminoalkohol sfingozín po acylácii, t.j. naviazaním mastnej kyseliny na skupinu NH2 sa mení na ceramid. Ceramidy sa vyznačujú zvyškom mastných kyselín. S OH skupinou ceramidu môžu byť spojené rôzne polárne skupiny. V závislosti od štruktúry polárnej "hlavy" sú tieto deriváty rozdelené do dvoch skupín - fosfolipidy a glykolipidy. Štruktúra polárnej skupiny sfingofosfolipidov (sfingomyelínov) je podobná glycerofosfolipidom. Mnoho sfingomyelínov sa nachádza v myelínových pošvách. nervové vlákna. Glykolipidy sú sacharidové deriváty ceramidu. V závislosti od štruktúry sacharidovej zložky sa rozlišujú cerebrozidy a gangliozidy.

cholesterolu nachádza sa v membránach všetkých živočíšnych buniek, spevňuje membrány a redukuje ich plynulosť(tekutosť). Molekula cholesterolu sa nachádza v hydrofóbnej zóne membrány rovnobežne s hydrofóbnymi „chvoskami“ fosfo- a glykolipidových molekúl. Hydroxylová skupina cholesterolu, ako aj hydrofilné „hlavy“ fosfo- a glykolipidov,

Ryža. 4.3. Deriváty aminoalkoholu sfingozínu.

Ceramid - acylovaný sfingozín (R 1 - radikál mastnej kyseliny). Fosfolipidy zahŕňajú sfingomyelíny, v ktorých polárna skupina pozostáva zo zvyšku kyseliny fosforečnej a cholínu, etanolamínu alebo serínu. Hydrofilná skupina (polárna "hlava") glykolipidov je sacharidový zvyšok. Cerebrozidy obsahujú lineárny mono- alebo oligosacharidový zvyšok. Zloženie gangliozidov zahŕňa rozvetvený oligosacharid, ktorého jednou z monomérnych jednotiek je NANK - kyselina N-acetylneuramínová

smerom k vodnej fáze. Molárny pomer cholesterolu a iných lipidov v membránach je 0,3-0,9. Táto hodnota má najvyššiu hodnotu pre cytoplazmatickú membránu.

Zvýšenie obsahu cholesterolu v membránach znižuje pohyblivosť reťazcov mastných kyselín, čo ovplyvňuje konformačnú labilitu membránových proteínov a znižuje možnosť ich laterálna difúzia. So zvýšením tekutosti membrán spôsobeným pôsobením lipofilných látok na ne alebo peroxidáciou lipidov sa zvyšuje podiel cholesterolu v membránach.

Ryža. 4.4. Pozícia fosfolipidov a cholesterolu v membráne.

Molekula cholesterolu pozostáva z tuhého hydrofóbneho jadra a pružného uhľovodíkového reťazca. Polárna "hlava" je OH skupina na 3. atóme uhlíka molekuly cholesterolu. Pre porovnanie, obrázok ukazuje schematické znázornenie membránového fosfolipidu. Polárna hlava týchto molekúl je oveľa väčšia a má náboj

Lipidové zloženie membrán je odlišné, obsah jedného alebo druhého lipidu je zjavne určený rôznymi funkciami, ktoré tieto molekuly vykonávajú v membránach.

Hlavnými funkciami membránových lipidov sú:

Tvoria lipidovú dvojvrstvu – štrukturálny základ membrán;

Poskytovať prostredie potrebné na fungovanie membránových proteínov;

Podieľať sa na regulácii aktivity enzýmov;

Slúži ako "kotva" pre povrchové proteíny;

Podieľajte sa na prenose hormonálnych signálov.

Zmeny v štruktúre lipidovej dvojvrstvy môžu viesť k narušeniu membránových funkcií.

2. Membránové proteíny. Membránové proteíny sa líšia svojou polohou v membráne (obr. 4.5). Membránové proteíny v kontakte s hydrofóbnou oblasťou lipidovej dvojvrstvy musia byť amfifilné, t.j. majú nepolárnu doménu. Amfifilita sa dosahuje vďaka tomu, že:

Aminokyselinové zvyšky v kontakte s lipidovou dvojvrstvou sú väčšinou nepolárne;

Mnohé membránové proteíny sú kovalentne spojené so zvyškami mastných kyselín (acylované).

Acylové zvyšky mastných kyselín naviazané na proteín poskytujú jeho „ukotvenie“ v membráne a možnosť laterálnej difúzie. Okrem toho membránové proteíny podliehajú posttranslačným modifikáciám, ako je glykozylácia a fosforylácia. Glykozylácia vonkajší povrch integrálne proteíny ich chránia pred poškodením proteázami medzibunkového priestoru.

Ryža. 4.5. Membránové proteíny:

1, 2 - integrálne (transmembránové) proteíny; 3, 4, 5, 6 - povrchové proteíny. V integrálnych proteínoch je časť polypeptidového reťazca uložená v lipidovej vrstve. Tie časti proteínu, ktoré interagujú s uhľovodíkovými reťazcami mastných kyselín, obsahujú prevažne nepolárne aminokyseliny. Oblasti proteínu nachádzajúce sa v oblasti polárnych "hlavičiek" sú obohatené o hydrofilné aminokyselinové zvyšky. Povrchové proteíny sú pripojené k membráne rôznymi spôsobmi: 3 - spojené s integrálnymi proteínmi; 4 - pripojené k polárnym "hlavám" lipidovej vrstvy; 5 - "ukotvené" v membráne s krátkou hydrofóbnou koncovou doménou; 6 - "ukotvené" v membráne pomocou kovalentne viazaného acylového zvyšku

Vonkajšie a vnútorné vrstvy tej istej membrány sa líšia v zložení lipidov a bielkovín. Táto vlastnosť v štruktúre membrán je tzv transmembránová asymetria.

Membránové proteíny sa môžu podieľať na:

Selektívny transport látok do bunky az bunky;

Prenos hormonálnych signálov;

Tvorba "ohraničených jamiek" zapojených do endocytózy a exocytózy;

Imunologické reakcie;

Ako enzýmy pri premenách látok;

Organizácia medzibunkových kontaktov, ktoré zabezpečujú tvorbu tkanív a orgánov.

TÉMA 4.2. PREPRAVA LÁTOK CEZ MEMBRÁNY

Jednou z hlavných funkcií membrán je regulácia prenosu látok do bunky a z bunky, zadržiavanie látok, ktoré bunka potrebuje a odstraňovanie nepotrebných. Transport iónov, organických molekúl cez membrány môže prebiehať pozdĺž koncentračného gradientu - pasívna doprava a proti koncentračnému gradientu - aktívny transport.

1. Pasívna doprava možno vykonať nasledujúcimi spôsobmi (obr. 4.6, 4.7):

Ryža. 4.6. Mechanizmy prenosu látok cez membrány pozdĺž koncentračného gradientu

Pasívna doprava je difúzia iónov cez proteínové kanály, napríklad difúzia H+, Ca 2+, N+, K+. Fungovanie väčšiny kanálov je regulované špecifickými ligandami alebo zmenami v transmembránovom potenciáli.

Ryža. 4.7. Ca2+ kanál membrány endoplazmatického retikula regulovaný inozitol-1,4,5-trifosfátom (IF 3).

IP 3 (inozitol-1,4,5-trifosfát) vzniká pri hydrolýze membránového lipidu PIF 2 (fosfatidylinozitol-4,5-bisfosfát) pôsobením enzýmu fosfolipázy C. IP 3 sa viaže na špecifické centrá Ca2+ protoméry membránového kanála endoplazmatického retikula. Konformácia proteínu sa mení a kanál sa otvára - Ca 2 + vstupuje do cytosólu bunky pozdĺž koncentračného gradientu

2. Aktívna doprava. primárne aktívny transport nastáva proti koncentračnému gradientu s výdajom energie ATP za účasti transportných ATPáz, napríklad Na +, K + -ATPázy, H + -ATPázy, Ca 2 + -ATPázy (obr. 4.8). Funkcia H + -ATPase ako protónové pumpy, ktorý vytvára kyslé prostredie v lyzozómoch bunky. Pomocou Ca 2+ -ATPázy cytoplazmatickej membrány a membrány endoplazmatického retikula sa udržiava nízka koncentrácia vápnika v cytosóle bunky a vytvára sa intracelulárne depot Ca 2+ v mitochondriách a endoplazmatickom retikulum.

sekundárne aktívny transport nastáva v dôsledku koncentračného gradientu jednej z transportovaných látok (obr. 4.9), ktorý najčastejšie vytvára Na +, K + -ATPáza, ktorá funguje so spotrebou ATP.

Naviazanie látky, ktorej koncentrácia je vyššia, na aktívne centrum nosného proteínu, mení jej konformáciu a zvyšuje afinitu k zlúčenine, ktorá prechádza do bunky proti koncentračnému gradientu. Existujú dva typy sekundárneho aktívneho transportu: aktívny symport A antiport.

Ryža. 4.8. Mechanizmus fungovania Ca 2 + -ATPázy

Ryža. 4.9. sekundárny aktívny transport

3. Prenos makromolekúl a častíc za účasti membrán - endocytóza a exocytóza.

Prenos makromolekúl, ako sú proteíny, nukleové kyseliny, polysacharidy alebo aj väčšie častice, z extracelulárneho prostredia do bunky endocytóza. K väzbe látok alebo vysokomolekulárnych komplexov dochádza v určitých oblastiach plazmatickej membrány, ktoré sú tzv lemované jamy. Endocytóza, ktorá sa vyskytuje za účasti receptorov zabudovaných v ohraničených jamkách, umožňuje bunkám absorbovať špecifické látky a je tzv. receptor-dependentná endocytóza.

Makromolekuly, ako sú peptidové hormóny, tráviace enzýmy, proteíny extracelulárnej matrice, lipoproteínové komplexy, sa vylučujú do krvi alebo medzibunkového priestoru exocytóza. Tento spôsob transportu umožňuje odstraňovať z bunky látky, ktoré sa hromadia v sekrečných granulách. Vo väčšine prípadov je exocytóza regulovaná zmenou koncentrácie iónov vápnika v cytoplazme buniek.

TÉMA 4.3. TRANSMEMBRÁNOVÁ SIGNALIZÁCIA

Dôležitou vlastnosťou membrán je schopnosť vnímať a prenášať signály z prostredia vo vnútri bunky. Vnímanie vonkajších signálov bunkami nastáva, keď interagujú s receptormi umiestnenými v membráne cieľových buniek. Receptory pripojením signálnej molekuly aktivujú intracelulárne dráhy prenosu informácií, čo vedie k zmene rýchlosti rôznych metabolických procesov.

1. signálna molekula, ktorý špecificky interaguje s membránovým receptorom primárny posol. Ako primárni poslovia pôsobia rôzne chemické zlúčeniny – hormóny, neurotransmitery, eikosanoidy, rastové faktory resp. fyzikálne faktory, ako je kvantum svetla. Receptory bunkovej membrány aktivované primárnymi poslami prenášajú prijaté informácie do systému proteínov a enzýmov, ktoré sa tvoria kaskáda prenosu signálu, poskytuje niekoľko stonásobné zosilnenie signálu. Doba odozvy bunky, ktorá spočíva v aktivácii alebo inaktivácii metabolických procesov, svalovej kontrakcii, transporte látok z cieľových buniek, môže byť niekoľko minút.

Membrána receptory rozdelené na:

Receptory obsahujúce podjednotku, ktorá viaže primárneho posla a iónový kanál;

Receptory schopné vykazovať katalytickú aktivitu;

Receptory, ktoré pomocou G-proteínov aktivujú tvorbu sekundárnych (intracelulárnych) poslov, ktoré prenášajú signál špecifickým proteínom a enzýmom cytosolu (obr. 4.10).

Druhí poslovia majú malú molekulovú hmotnosť, s vysoká rýchlosť difundujú v cytosóle bunky, zmenia aktivitu zodpovedajúcich proteínov a potom sa rýchlo rozdelia alebo sa z cytosólu odstránia.

Ryža. 4.10. Receptory umiestnené v membráne.

Membránové receptory možno rozdeliť do troch skupín. Receptory: 1 - obsahujúce podjednotku, ktorá viaže signálnu molekulu a iónový kanál, napríklad acetylcholínový receptor na postsynaptickej membráne; 2 - vykazujúci katalytickú aktivitu po pridaní signálnej molekuly, napríklad inzulínového receptora; 3, 4 - prenos signálu do enzýmu adenylátcyklázy (AC) alebo fosfolipázy C (PLS) za účasti membránových G-proteínov, napríklad rôznych typov receptorov pre adrenalín, acetylcholín a iné signálne molekuly

Role sekundárnych poslov vykonávať molekuly a ióny:

CAMP (cyklický adenozín-3",5"-monofosfát);

CGMP (cyklický guanozín-3",5"-monofosfát);

IP 3 (inozitol-1,4,5-trifosfát);

DAG (diacylglycerol);

Existujú hormóny (steroidy a štítna žľaza), ktoré pri prechode cez lipidovú dvojvrstvu vstúpiť do bunky a interagovať s intracelulárne receptory. Fyziologicky dôležitý rozdiel medzi membránovými a intracelulárnymi receptormi je rýchlosť odpovede na prichádzajúci signál. V prvom prípade bude účinok rýchly a krátkodobý, v druhom - pomalý, ale dlhotrvajúci.

Receptory spojené s G-proteínom

Interakcia hormónov s receptormi spojenými s G-proteínom vedie k aktivácii systému prenosu signálu inozitolfosfátu alebo zmenám v aktivite regulačného systému adenylátcyklázy.

2. Systém adenylátcyklázy zahŕňa (obr. 4.11):

- integrálne cytoplazmatické membránové proteíny:

R s - receptor primárneho posla - aktivátor systému adenylátcyklázy (ACS);

R; - receptor primárneho posla - inhibítor ACS;

Enzým adenylátcykláza (AC).

- "ukotvený" bielkoviny:

Gs - GTP-viažuci proteín, pozostávajúci z α,βγ-podjednotiek, v ktorých (α,-podjednotka je spojená s molekulou GDP;

Ryža. 4.11. Fungovanie systému adenylátcyklázy

G; - GTP-viažuci proteín, pozostávajúci z αβγ-podjednotiek, v ktorých a; -podjednotka je spojená s molekulou GDP; - cytosolický enzým proteín kináza A (PKA).

Sekvencia udalostí transdukcie primárneho messengerového signálu systémom adenylátcyklázy

Receptor má väzbové miesta pre primárneho posla na vonkajšom povrchu membrány a G-proteín (α,βγ-GDP) na vnútornom povrchu membrány. Interakcia aktivátora systému adenylátcyklázy, ako je hormón s receptorom (Rs), vedie k zmene konformácie receptora. Zvyšuje sa afinita receptora ku G..-proteínu. Pripojenie komplexu hormón-receptor na GS-GDP znižuje afinitu α,-podjednotky G..-proteínu k GDP a zvyšuje afinitu k GTP. V aktívnom mieste α,-podjednotky je GDP nahradený GTP. To spôsobuje zmenu v konformácii podjednotky α a zníženie jej afinity k podjednotkám βγ. Oddelená podjednotka α,-GTP sa laterálne presúva v lipidovej vrstve membrány k enzýmu adenylátcyklázy.

Interakcia α,-GTP s regulačným centrom adenylátcyklázy mení konformáciu enzýmu, vedie k jeho aktivácii a zvýšeniu rýchlosti tvorby druhého posla - cyklického adenozín-3,5'-monofosfátu (cAMP) od ATP. Koncentrácia cAMP sa v bunke zvyšuje. Molekuly cAMP sa môžu reverzibilne viazať na regulačné podjednotky proteínkinázy A (PKA), ktorá pozostáva z dvoch regulačných (R) a dvoch katalytických (C) podjednotiek - (R 2 C 2). Komplex R2C2 nemá enzymatickú aktivitu. Pripojenie cAMP k regulačným podjednotkám spôsobuje zmenu ich konformácie a stratu komplementarity s C-podjednotkami. Katalytické podjednotky získavajú enzymatickú aktivitu.

Aktívna proteínkináza A s pomocou ATP fosforyluje špecifické proteíny na serínových a treonínových zvyškoch. Fosforylácia proteínov a enzýmov zvyšuje alebo znižuje ich aktivitu, preto sa mení rýchlosť metabolických procesov, na ktorých sa podieľajú.

Aktiváciou signálnej molekuly R receptora sa stimuluje fungovanie Gj-proteínu, ktoré prebieha podľa rovnakých pravidiel ako u G..-proteínu. Ale keď ai-GTP podjednotka interaguje s adenylátcyklázou, aktivita enzýmu klesá.

Inaktivácia adenylátcyklázy a proteínkinázy A

α,-podjednotka v komplexe s GTP pri interakcii s adenylátcyklázou začína vykazovať enzymatickú (GTP-fosfatázovú) aktivitu, hydrolyzuje GTP. Výsledná molekula GDP zostáva v aktívnom centre α, podjednotky, mení svoju konformáciu a znižuje svoju afinitu k AC. Komplex AC a α,-GDP disociuje, α,-GDP je súčasťou G..-proteínu. Oddelenie α,-GDP od adenylátcyklázy inaktivuje enzým a zastaví syntézu cAMP.

Fosfodiesteráza- "ukotvený" enzým cytoplazmatickej membrány hydrolyzuje predtým vytvorené molekuly cAMP na AMP. Pokles koncentrácie cAMP v bunke spôsobuje štiepenie komplexu cAMP 4K" 2 a zvyšuje afinitu R- a C-podjednotiek a vytvára sa neaktívna forma PKA.

Fosforylované enzýmy a proteíny fosfoproteín fosfatáza prechádzajú do defosforylovanej formy, mení sa ich konformácia, aktivita a rýchlosť procesov, na ktorých sa tieto enzýmy zúčastňujú. Výsledkom je, že systém sa vráti do pôvodného stavu a je pripravený na opätovnú aktiváciu, keď hormón interaguje s receptorom. Tak je zabezpečená zhoda obsahu hormónov v krvi a intenzity odpovede cieľových buniek.

3. Účasť adenylátcyklázového systému na regulácii génovej expresie. Mnohé proteínové hormóny: glukagón, vazopresín, parathormón atď., ktoré prenášajú svoj signál cez systém adenylátcyklázy, môžu nielen spôsobiť zmenu rýchlosti reakcií fosforyláciou enzýmov už prítomných v bunke, ale aj zvýšiť alebo znížiť ich počet reguláciou génovej expresie (obr. 4.12). Aktívna proteínkináza A môže prejsť do jadra a fosforylovať transkripčný faktor (CREB). Pristúpenie fosforu

Ryža. 4.12. Adenylátcyklázová dráha vedúca k expresii špecifických génov

Zvyšok zvyšuje afinitu transkripčného faktora (CREB-(P) k špecifickej sekvencii regulačnej zóny DNA-CRE (cAMP-response element) a stimuluje expresiu určitých proteínových génov.

Syntetizovanými proteínmi môžu byť enzýmy, ktorých zvýšenie zvyšuje rýchlosť reakcií metabolických procesov, alebo membránové nosiče, ktoré zabezpečujú vstup alebo výstup určitých iónov, vody alebo iných látok z bunky.

Ryža. 4.13. Inozitol fosfátový systém

Prácu systému zabezpečujú proteíny: kalmodulín, enzým proteínkináza C, proteínkinázy závislé od Ca2+ -kalmodulínu, regulované kanály Ca2+ membrány endoplazmatického retikula, Ca2+-ATPáza bunkových a mitochondriálnych membrán.

Sekvencia udalostí prenosu primárneho messengerového signálu systémom inozitol fosfátu

Väzba aktivátora inozitolfosfátového systému na receptor (R) vedie k zmene jeho konformácie. Zvyšuje sa afinita receptora pre proteín Gf ls. Pripojenie primárneho komplexu messenger-receptor k Gf ​​ls-GDP znižuje afinitu podjednotky afls k GDP a zvyšuje afinitu k GTP. V aktívnom mieste je podjednotka af ls GDP nahradená GTP. To spôsobuje zmenu v konformácii podjednotky afls a zníženie afinity k podjednotkám βγ a dochádza k disociácii proteínu Gfls. Oddelená podjednotka afls-GTP sa laterálne pohybuje cez membránu k enzýmu fosfolipáza C.

Interakcia aphls-GTP s väzbovým miestom fosfolipázy C mení konformáciu a aktivitu enzýmu, zvyšuje rýchlosť hydrolýzy fosfolipidu bunkovej membrány – fosfatidylinozitol-4,5-bisfosfátu (FIF 2) (obr. 4.14).

Ryža. 4.14. Hydrolýza fosfatidylinozitol-4,5-bisfosfátu (FIF 2)

Pri reakcii vznikajú dva produkty - sekundárni poslovia hormonálneho signálu (sekundárni poslovia): diacylglycerol, ktorý zostáva v membráne a podieľa sa na aktivácii enzýmu proteínkinázy C, a inozitol-1,4,5-trifosfát (IF 3), ktorý ako hydrofilná zlúčenina prechádza do cytosólu. Signál prijatý bunkovým receptorom je teda rozvetvený. IP 3 sa viaže na špecifické centrá Ca2+ kanála membrány endoplazmatického retikula (E), čo vedie k zmene konformácie proteínu a otvoreniu Ca2+ kanála. Keďže koncentrácia vápnika v ER je asi o 3-4 rády vyššia ako v cytosóle, po otvorení Ca2+ kanála vstupuje do cytosólu pozdĺž koncentračného gradientu. V neprítomnosti IF 3 v cytosóle je kanál uzavretý.

Cytosol všetkých buniek obsahuje malý proteín nazývaný kalmodulín, ktorý má štyri väzbové miesta Ca2+. So zvyšujúcou sa koncentráciou

vápnik, aktívne sa viaže na kalmodulín a vytvára komplex 4Са 2+ -kalmodulín. Tento komplex interaguje s Ca 2+ -kalmodulín-dependentnými proteínkinázami a inými enzýmami a zvyšuje ich aktivitu. Aktivovaná Ca 2+-kalmodulín-dependentná proteínkináza fosforyluje určité proteíny a enzýmy, v dôsledku čoho sa mení ich aktivita a rýchlosť metabolických procesov, na ktorých sa zúčastňujú.

Zvýšenie koncentrácie Ca2+ v cytosóle bunky zvyšuje rýchlosť interakcie Ca2+ s neaktívnym cytosolovým enzýmom proteínkináza C (PKC). Väzba PKC na ióny vápnika stimuluje pohyb proteínu na plazmatickú membránu a umožňuje enzýmu interagovať s negatívne nabitými „hlavami“ membránových molekúl fosfatidylserínu (PS). Diacylglycerol, ktorý obsadzuje špecifické miesta v proteínkináze C, ďalej zvyšuje jeho afinitu k iónom vápnika. Zapnuté vnútri membránou, vzniká aktívna forma PKC (PKC? Ca 2 + ? PS? DAG), ktorá fosforyluje špecifické enzýmy.

Aktivácia IF systému je krátkodobá a po reakcii bunky na stimul sa inaktivuje fosfolipáza C, proteínkináza C a enzýmy závislé od Ca2+-kalmodulínu. af ls - Podjednotka v komplexe s GTP a fosfolipázou C vykazuje enzymatickú (GTP-fosfatázovú) aktivitu, hydrolyzuje GTP. Podjednotka af ls naviazaná na GDP stráca svoju afinitu k fosfolipáze C a vracia sa do pôvodného neaktívneho stavu, t.j. je zahrnutý v αβγ-GDP komplexe Gfls-proteín).

Separácia af ls-GDF od fosfolipázy C inaktivuje enzým a hydrolýza FIF2 sa zastaví. Zvýšenie koncentrácie Ca 2+ v cytosóle aktivuje Ca 2+ -ATPázu endoplazmatického retikula, cytoplazmatickej membrány, ktorá „odčerpáva“ Ca 2 + z cytosólu bunky. Na tomto procese sa podieľajú aj Na+/Ca2+- a H+/Ca2+-nosiče fungujúce na princípe aktívneho antiportu. Pokles koncentrácie Ca 2+ vedie k disociácii a inaktivácii enzýmov závislých od Ca 2+ -kalmodulínu, ako aj k strate afinity proteínkinázy C k membránovým lipidom a zníženiu jej aktivity.

IP 3 a DAG vytvorené ako výsledok aktivácie systému môžu opäť vzájomne interagovať a premeniť sa na fosfatidylinozitol-4,5-bisfosfát.

Fosforylované enzýmy a proteíny pôsobením fosfoproteínfosfatázy prechádzajú do defosforylovanej formy, mení sa ich konformácia a aktivita.

5. Katalytické receptory. Katalytické receptory sú enzýmy. Aktivátormi týchto enzýmov môžu byť hormóny, rastové faktory, cytokíny. V aktívnej forme receptorové enzýmy fosforylujú špecifické proteíny na -OH skupinách tyrozínu, preto sa nazývajú tyrozín proteínkinázy (obr. 4.15). Prostredníctvom špeciálnych mechanizmov môže byť signál prijatý katalytickým receptorom prenesený do jadra, kde stimuluje alebo potláča expresiu určitých génov.

Ryža. 4.15. Aktivácia inzulínového receptora.

Fosfoproteínfosfatáza defosforyluje špecifické fosfoproteíny.

Fosfodiesteráza premieňa cAMP na AMP a cGMP na GMP.

GLUT 4 - transportéry glukózy v tkanivách závislých od inzulínu.

Tyrozín proteín fosfatáza defosforyluje β-podjednotku receptora

inzulín

Príkladom katalytického receptora je inzulínový receptor, ktorý pozostáva z dvoch a- a dvoch β-podjednotiek. a-podjednotky sa nachádzajú na vonkajšom povrchu bunkovej membrány, β-podjednotky prenikajú do membránovej dvojvrstvy. Miesto viazania inzulínu je tvorené N-koncovými doménami a-podjednotiek. Katalytické centrum receptora sa nachádza na intracelulárnych doménach p-podjednotiek. Cytosolická časť receptora má niekoľko tyrozínových zvyškov, ktoré môžu byť fosforylované a defosforylované.

Naviazanie inzulínu na väzobné miesto tvorené a-podjednotkami spôsobuje kooperatívne konformačné zmeny v receptore. β-podjednotky vykazujú tyrozínkinázovú aktivitu a katalyzujú transautofosforyláciu (prvá β-podjednotka fosforyluje druhú β-podjednotku a naopak) na niekoľkých tyrozínových zvyškoch. Fosforylácia vedie k zmene náboja, konformácie a substrátovej špecifickosti enzýmu (Tyr-PA). Tyrozín-PK fosforyluje určité bunkové proteíny, ktoré sa nazývajú substráty inzulínových receptorov. Na druhej strane sa tieto proteíny podieľajú na aktivácii kaskády fosforylačných reakcií:

fosfoproteín fosfatáza(FPF), ktorý defosforyluje špecifické fosfoproteíny;

fosfodiesteráza, ktorý konvertuje cAMP na AMP a cGMP na GMP;

GLUT 4- nosiče glukózy v tkanivách závislých od inzulínu, preto sa zvyšuje príjem glukózy do buniek svalov a tukového tkaniva;

tyrozín proteín fosfatáza ktorý defosforyluje p-podjednotku inzulínového receptora;

jadrové regulačné proteíny, transkripčné faktory, zvýšenie alebo zníženie génovej expresie určitých enzýmov.

Implementácia efektov rastové faktory sa môže uskutočniť s použitím katalytických receptorov, ktoré pozostávajú z jediného polypeptidového reťazca, ale po naviazaní primárneho posla tvoria diméry. Všetky receptory tohto typu majú extracelulárnu glykozylovanú doménu, transmembránu (a-helix) a cytoplazmatickú doménu schopnú po aktivácii vykazovať aktivitu proteínkinázy.

Dimerizácia podporuje aktiváciu ich katalytických intracelulárnych domén, ktoré vykonávajú transautofosforyláciu na aminokyselinových zvyškoch serínu, treonínu alebo tyrozínu. Naviazanie fosforových zvyškov vedie k vytvoreniu väzbových miest pre špecifické cytosolové proteíny v receptore a aktivácii signálnej transdukčnej kaskády proteínkinázy (obr. 4.16).

Sekvencia udalostí prenosu signálu primárnych poslov (rastových faktorov) za účasti Ras- a Raf-proteínov.

Väzba receptora (R) na rastový faktor (GF) vedie k jeho dimerizácii a transautofosforylácii. Fosforylovaný receptor získava afinitu k proteínu Grb2. Vytvorený komplex FR*R*Grb2 interaguje s cytosolickým SOS proteínom. Zmena konformácie SOS

zabezpečuje jeho interakciu s ukotveným membránovým proteínom Ras-GDF. Tvorba komplexu FR?R?Grb2?SOS?Ras-GDP znižuje afinitu proteínu Ras k GDP a zvyšuje afinitu k GTP.

Nahradenie GDP GTP mení konformáciu proteínu Ras, ktorý sa uvoľňuje z komplexu a interaguje s proteínom Raf v membránovej oblasti. Komplex Ras-GTP-Raf vykazuje aktivitu proteínkinázy a fosforyluje enzým kinázy MEK. Aktivovaná MEK kináza zase fosforyluje MAP kinázu na treoníne a tyrozíne.

Obr.4.16. MAP kinázová kaskáda.

Receptory tohto typu majú epidermálny rastový faktor (EGF), nervový rastový faktor (NGF) a ďalšie rastové faktory.

Grb2 - proteín, ktorý interaguje s receptorom rastového faktora (proteín viažuci rastový receptor); SOS (GEF) - výmenný faktor GDP-GTP (výmenný faktor guanínového nukleotidu); Ras - G-proteín (guanidíntrifosfatáza); Raf-kináza - vo svojej aktívnej forme - fosforylujúca MEK-kináza; MEK kináza - MAP kináza kináza; MAP kináza - mitogénom aktivovaná proteín kináza (mitogénom aktivovaná proteín kináza)

Pripojenie -P032- skupiny k aminokyselinovým radikálom MAP kinázy mení jej náboj, konformáciu a aktivitu. Enzým fosforyluje špecifické proteíny membrán, cytosolu a jadra na serín a treonín.

Zmeny v aktivite týchto proteínov ovplyvňujú rýchlosť metabolických procesov, fungovanie membránových translokáz a mitotickú aktivitu cieľových buniek.

Receptory s aktivita guanylátcyklázy sa tiež označujú ako katalytické receptory. Guanylátcykláza katalyzuje vznik cGMP z GTP, ktorý je jedným z dôležitých poslov (mediátorov) prenosu intracelulárneho signálu (obr. 4.17).

Ryža. 4.17. Regulácia aktivity membránovej guanylátcyklázy.

Guanylátcykláza (GC) viazaná na membránu je transmembránový glykoproteín. Väzbové centrum signálnej molekuly sa nachádza na extracelulárnej doméne, intracelulárna doména guanylátcyklázy vykazuje katalytickú aktivitu ako výsledok aktivácie

Pripojenie primárneho posla k receptoru aktivuje guanylátcyklázu, ktorá katalyzuje premenu GTP na cyklický guanozín-3,5'-monofosfát (cGMP), druhého posla. Koncentrácia cGMP sa v bunke zvyšuje. Molekuly cGMP sa môžu reverzibilne pripojiť k regulačným centrám proteínkinázy G (PKG5), ktorá pozostáva z dvoch podjednotiek. Štyri molekuly cGMP menia konformáciu a aktivitu enzýmu. Aktívna proteínkináza G katalyzuje fosforyláciu určitých proteínov a enzýmov v bunkovom cytosóle. Jedným z primárnych poslov proteínkinázy G je atriálny natriuretický faktor (ANF), ktorý reguluje homeostázu tekutín v tele.

6. Prenos signálu pomocou intracelulárnych receptorov. Chemicky hydrofóbne hormóny (steroidné hormóny a tyroxín) môžu difundovať cez membrány, takže ich receptory sa nachádzajú v cytosóle alebo bunkovom jadre.

Cytosolické receptory sú spojené s chaperónovým proteínom, ktorý zabraňuje predčasnej aktivácii receptora. Jadrové a cytosolické receptory pre steroidné hormóny a hormóny štítnej žľazy obsahujú doménu viažucu DNA, ktorá zabezpečuje interakciu komplexu hormón-receptor s regulačnými oblasťami DNA v jadre a zmeny v rýchlosti transkripcie.

Postupnosť udalostí vedúcich k zmene rýchlosti transkripcie

Hormón prechádza cez lipidovú dvojvrstvu bunkovej membrány. V cytosóle alebo jadre hormón interaguje s receptorom. Komplex hormón-receptor prechádza do jadra a pripája sa k regulačnej nukleotidovej sekvencii DNA - zosilňovač(obr. 4.18) príp tlmič. Dostupnosť promótora pre RNA polymerázu sa zvyšuje po interakcii so zosilňovačom alebo klesá po interakcii s tlmičom. V súlade s tým sa rýchlosť transkripcie určitých štruktúrnych génov zvyšuje alebo znižuje. Z jadra sa uvoľňujú zrelé mRNA. Rýchlosť translácie určitých proteínov sa zvyšuje alebo znižuje. Mení sa množstvo bielkovín, ktoré ovplyvňujú metabolizmus a funkčný stav bunky.

V každej bunke sú receptory zahrnuté v rôznych systémoch prevodníkov signálu, ktoré premieňajú všetky vonkajšie signály na vnútrobunkové. Počet receptorov pre konkrétneho prvého posla sa môže meniť od 500 do viac ako 100 000 na bunku. Sú umiestnené na membráne vzdialene od seba alebo sú sústredené v určitých jej oblastiach.

Ryža. 4.18. Prenos signálu na intracelulárne receptory

b) z tabuľky vyberte lipidy, ktoré sa podieľajú na:

1. Aktivácia proteínkinázy C

2. Reakcie tvorby DAG pôsobením fosfolipázy C

3. Tvorba myelínových obalov nervových vlákien

c) napíšte hydrolytickú reakciu lipidu, ktorý ste si vybrali v odseku 2;

d) uveďte, ktorý z produktov hydrolýzy sa podieľa na regulácii Ca2+ kanála endoplazmatického retikula.

2. Vyberte správne odpovede.

Konformačná labilita nosných proteínov môže byť ovplyvnená:

B. Zmena elektrického potenciálu cez membránu

B. Naviazanie špecifických molekúl D. Zloženie mastných kyselín dvojvrstvových lipidov E. Množstvo transportovanej látky

3. Nastaviť zhodu:

A. ER vápnikový kanál B. Ca2+-ATPáza

D. Ka +-závislý nosič Ca 2 + D. N +, K + -ATPáza

1. Nesie Na+ pozdĺž koncentračného gradientu

2. Funguje mechanizmom uľahčenej difúzie

3. Nesie Na+ proti koncentračnému gradientu

4. Preneste stôl. 4.2. zošit a vyplňte ho.

Tabuľka 4.2. Systémy adenylátcyklázy a inozitolfosfátu

Štruktúra a fázy prevádzky	Systém adenylátcyklázy	Inozitol fosfátový systém
Príklad primárneho posla systému
Integrálny bunkový membránový proteín interagujúci komplementárne s primárnym poslom
Proteín aktivujúci signálny enzým
Enzýmový systém tvoriaci sekundárneho (e) posla
Sekundárny posol(-ovia) systému
Cytosolický (e) enzým (enzýmy) systému interagujúci (e) s druhým poslom
Mechanizmus regulácie (v tomto systéme) aktivity enzýmov metabolických dráh
Mechanizmy na zníženie koncentrácie druhých poslov v cieľovej bunke
Dôvod poklesu aktivity membránového enzýmu signalizačného systému

ÚLOHY PRE SEBAOVLÁDANIE

1. Nastaviť zhodu:

A. Pasívny symport B. Pasívny antiport

B. Endocytóza D. Exocytóza

D. Primárny aktívny transport

1. K transportu látky do bunky dochádza spolu s časťou plazmatickej membrány

2. Súčasne dve rôzne látky prechádzajú do bunky pozdĺž koncentračného gradientu

3. Transport látok ide proti koncentračnému gradientu

2. Vyber správnu odpoveď.

ag-GTP-asociovaná podjednotka G-proteínu aktivuje:

A. Receptor

B. Proteínkináza A

B. Fosfodiesteráza D. Adenylátcykláza E. Proteínkináza C

3. Nastavte zhodu.

Funkcia:

A. Reguluje aktivitu katalytického receptora B. Aktivuje fosfolipázu C

B. Konvertuje proteínkinázu A na aktívnu formu

D. Zvyšuje koncentráciu Ca 2+ v cytosóle bunky E. Aktivuje proteínkinázu C

Druhý posol:

4. Nastavte zhodu.

Fungovanie:

A. Schopný laterálnej difúzie v membránovej dvojvrstve

B. V kombinácii s primárnym messengerom sa pripája k zosilňovaču

B. Vykazuje enzymatickú aktivitu pri interakcii s primárnym poslom

G. Môže interagovať s G-proteínom

D. Interaguje s fosfolipázou C počas prenosu signálu Receptor:

1. Inzulín

2. Adrenalín

3. Steroidný hormón

5. Dokončite „reťazovú“ úlohu:

A) peptidové hormóny interagujú s receptormi:

A. V cytosóle bunky

B. Integrálne proteíny membrán cieľových buniek

B. V bunkovom jadre

G. Kovalentne spojené s FIF 2

b) interakcia takéhoto receptora s hormónom spôsobuje zvýšenie koncentrácie v bunke:

A. Hormón

B. Intermediárne metabolity

B. Druhí poslovia D. Jadrové proteíny

V) tieto molekuly môžu byť:

A. TAG B. GTP

B. FIF2D. cAMP

G) aktivujú:

A. Adenylátcykláza

B. Ca2+-dependentný kalmodulín

B. Proteínkináza A D. Fosfolipáza C

e) tento enzým mení rýchlosť metabolických procesov v bunke:

A. Zvýšenie koncentrácie Ca 2 + v cytosóle B. Fosforylácia regulačných enzýmov

B. Aktivácia protenfosfatázy

D. Zmeny v expresii génov regulačných proteínov

6. Dokončite úlohu „reťazec“:

A) pripojenie rastového faktora (GF) k receptoru (R) vedie k:

A. Zmeny v lokalizácii komplexu FR-R

B. Dimerizácia a transautofosforylácia receptora

B. Zmena konformácie receptora a pripojenie na Gs proteín D. Pohyb komplexu FR-R

b) takéto zmeny v štruktúre receptora zvyšujú jeho afinitu k povrchovému proteínu membrány:

B. Raf G. Grb2

V) táto interakcia zvyšuje pravdepodobnosť pripojenia na cytosolický proteínový komplex:

A. Kalmodulina B. Ras

B. PCS D. SOS

G) čo zvyšuje komplementaritu komplexu k "ukotvenému" proteínu:

e) zmena v konformácii "ukotveného" proteínu znižuje jeho afinitu k:

A. cAMP B. GTP

B. GDF G. ATP

e) táto látka sa nahrádza takto:

A. GDF B. AMP

B. cGMP D. GTP

a) pripojenie nukleotidu podporuje interakciu "ukotveného" proteínu s:

A. PKA B. Kalmodulín

h) Tento proteín je súčasťou komplexu, ktorý fosforyluje:

A. MEK kináza B. Proteínkináza C

B. Proteínkináza AD. MAP kináza

a) Tento enzým zase aktivuje:

A. MEK kináza B. Proteínkináza G

B. Raf proteín D. MAP kináza

j) fosforylácia proteínu zvyšuje jeho afinitu k:

A. SOS a Raf proteíny B. Jadrové regulačné proteíny B. Kalmodulín D. Jadrové receptory

k) aktivácia týchto proteínov vedie k:

A. Defosforylácia GTP v aktívnom centre proteínu Ras B. Znížená afinita receptora pre rastový faktor

B. Zvýšenie rýchlosti biosyntézy matrice D. Disociácia komplexu SOS-Grb2

m) v dôsledku toho:

A. SOS proteín sa uvoľňuje z receptora

B. Dochádza k disociácii receptorových protomérov (R).

B. Proteín Ras sa oddeľuje od proteínu Raf

D. Zvyšuje sa proliferatívna aktivita cieľovej bunky.

ŠTANDARDY ODPOVEDÍ NA „ÚLOHY PRE SEBAOVLÁDANIE“

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

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

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

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

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

ZÁKLADNÉ POJMY A POJMY

1. Štruktúra a funkcie membrán

2. Transport látok cez membrány

3. Štrukturálne vlastnosti membránových proteínov

4. Transmembránové systémy prenosu signálu (adenylátcykláza, inozitolfosfát, guanylátcykláza, katalytické a intracelulárne receptory)

5. Primárni poslovia

6. Sekundárni poslovia (sprostredkovatelia)

ÚLOHY PRE AUDITORSKÚ PRÁCU

1. Pozri obr. 4.19 a dokončite nasledujúce úlohy:

a) pomenovať spôsob dopravy;

b) nastavte poradie udalostí:

A. Cl - opúšťa bunku pozdĺž koncentračného gradientu

B. Proteínkináza A fosforyluje R-podjednotku kanála

B. Zmeny konformácie R-podjednotky

D. Vyskytujú sa kooperatívne konformačné zmeny v membránovom proteíne

D. Aktivuje sa systém adenylátcyklázy

Ryža. 4.19. Fungovanie C1 - kanála endotelu čreva.

R je regulačný proteín, ktorý sa premieňa na fosforylovanú formu pôsobením proteínkinázy A (PKA)

c) porovnajte fungovanie Ca 2+ kanála membrány endoplazmatického retikula a Cl - kanála endotelovej bunky čreva, vyplňte tabuľku. 4.3.

Tabuľka 4.3. Spôsoby regulácie fungovania kanálov

Riešiť problémy

1. Sťahom srdcového svalu sa aktivuje Ca 2 +, ktorého obsah v cytosóle bunky sa zvyšuje v dôsledku fungovania cAMP-dependentných nosičov cytoplazmatickej membrány. Koncentráciu cAMP v bunkách zasa regulujú dve signálne molekuly – adrenalín a acetylcholín. Okrem toho je známe, že adrenalín v interakcii s β2-adrenergnými receptormi zvyšuje koncentráciu cAMP v bunkách myokardu a stimuluje srdcový výdaj a acetylcholín v interakcii s M2-cholinergnými receptormi znižuje hladinu cAMP a kontraktilitu myokardu. Vysvetlite, prečo dvaja primárni poslovia používajúci rovnaký systém prenosu signálu vyvolávajú odlišnú bunkovú odpoveď. Pre to:

a) prezentovať schému prenosu signálu pre adrenalín a acetylcholín;

b) označujú rozdiel v signalizačných kaskádach týchto poslov.

2. Acetylcholín, interagujúci s M3-cholinergnými receptormi slinné žľazy, stimuluje uvoľňovanie Ca 2+ z ER. Zvýšenie koncentrácie Ca 2+ v cytosóle zabezpečuje exocytózu sekrečných granúl a uvoľňovanie elektrolytov a malého množstva bielkovín do slinného kanálika. Vysvetlite, ako sú regulované Ca2+ kanály ER. Pre to:

a) pomenujte druhého posla poskytujúceho otvorenie ER Ca2+ kanálov;

b) napíšte reakciu na vytvorenie druhého posla;

c) prezentujú schému transmembránovej signálnej transdukcie acetylcholínu, pri aktivácii ktorého regulačný ligand Ca 2+ -môže-

3. Výskumníci inzulínových receptorov identifikovali významnú zmenu v géne pre proteín, ktorý je jedným zo substrátov inzulínového receptora. Ako narušenie štruktúry tohto proteínu ovplyvní fungovanie inzulínového signalizačného systému? Ak chcete odpovedať na otázku:

a) uveďte diagram transmembránovej signalizácie inzulínu;

b) vymenovať bielkoviny a enzýmy, ktoré aktivujú inzulín v cieľových bunkách, uviesť ich funkciu.

4. Proteín Ras je "ukotvený" proteín v cytoplazmatickej membráne. Funkciu "kotvy" vykonáva 15-uhlíkový zvyšok farnezyl H3C-(CH3)C \u003d CH-CH2 - [CH2 - (CH 3) C \u003d CH-CH2] 2 -, ktorý je pripojený k proteínu enzýmom farnezyltransferáza počas posttranslačnej modifikácie. V súčasnosti sa inhibítory tohto enzýmu podrobujú klinickým skúškam.

Prečo používanie týchto liekov zhoršuje prenos signálu rastového faktora? Pre odpoveď:

a) prezentovať schému signálnej transdukcie zahŕňajúcej Ras proteíny;

b) vysvetliť funkciu proteínov Ras a dôsledky zlyhania ich acylácie;

c) hádajte, na aké choroby boli tieto lieky vyvinuté.

5. Steroidný hormón kalcitriol aktivuje absorpciu vápnika z potravy zvýšením množstva Ca2+ nosných proteínov v črevných bunkách. Vysvetlite mechanizmus účinku kalcitriolu. Pre to:

a) uveďte všeobecnú schému prenosu signálu steroidných hormónov a opíšte jeho fungovanie;

b) pomenovať proces, ktorý aktivuje hormón v jadre cieľovej bunky;

c) uveďte, na akej biosyntéze matrice sa budú podieľať molekuly syntetizované v jadre a kde k nej dochádza.

V závislosti od lokalizácie receptorov v cieľových bunkách možno hormóny rozdeliť do troch skupín.

Prvú skupinu tvoria lipidové hormóny. Keďže sú rozpustné v tukoch, ľahko prenikajú bunková membrána a interagujú s receptormi lokalizovanými vo vnútri bunky, zvyčajne v cytoplazme.

Po druhé skupinové proteínové a peptidové hormóny. Sú zložené z aminokyselín a v porovnaní s hormónmi lipidového charakteru majú vyššiu molekulovú hmotnosť a sú menej lipofilné, čo sťažuje prechod cez plazmatickú membránu. Receptory pre tieto hormóny sú umiestnené na povrchu bunkovej membrány, takže proteínové a peptidové hormóny neprenikajú do bunky.

Treťou chemickou skupinou hormónov sú hormóny s nízkou molekulovou hmotnosťou hormóny štítnej žľazy, tvorené dvoma aminokyselinovými zvyškami spojenými éterovou väzbou. Tieto hormóny ľahko prenikajú do všetkých buniek tela a interagujú s receptormi umiestnenými v jadre. Jedna a tá istá bunka môže mať všetky tri typy receptorov, t.j. lokalizované v jadre, cytosóle a na povrchu plazmatickej membrány. Okrem toho môžu byť v rovnakej bunke prítomné rôzne receptory rovnakého typu; napríklad receptory pre rôzne peptidové a/alebo proteínové hormóny môžu byť prítomné na povrchu bunkovej membrány.

Sekundárne poslovia: 1) cyklické nukleotidy (cAMP a cGMP); 2) Ca ióny a 3) metabolity fosfatidylinozitolu.

pristúpenie hormón k receptoru umožňuje, aby receptor interagoval s G-proteínom. Ak G proteín aktivuje systém adenylátcykláza-cAMP, nazýva sa Gs proteín. Stimulácia adenylátcyklázy, viazanej na membránu enzýmu pomocou Gs proteínu, katalyzuje premenu malého množstva adenozíntrifosfátu prítomného v cytoplazme na cAMP vo vnútri bunky.

Ďalšia fáza sprostredkované aktivácia cAMP-dependentnou proteínkinázou, ktorá fosforyluje špecifické proteíny v bunke, spúšťa biochemické reakcie, ktoré zaisťujú, že bunka reaguje na pôsobenie hormónu.

Tak skoro ako cAMP vzniká v bunke, to zabezpečuje sekvenčnú aktiváciu množstva enzýmov, t.j. kaskádová reakcia. Prvý aktivovaný enzým teda aktivuje druhý, ktorý aktivuje tretí. Cieľom tohto mechanizmu je, že malý počet molekúl aktivovaných adenylátcyklázou môže aktivovať oveľa väčší počet molekúl v ďalšom kroku kaskádovej reakcie, čo je spôsob, ako zosilniť odpoveď.

Nakoniec aj vďaka tomuto mechanizmus zanedbateľné množstvo hormónu pôsobiaceho na povrchu bunkovej membrány spúšťa mohutnú kaskádu aktivačných reakcií.

Ak hormón interaguje s receptor naviazaný na inhibičný G-proteín (Gi-proteín), znižuje to tvorbu cAMP a v dôsledku toho znižuje aktivitu bunky.

Otázky na prípravu na lekciu:

1. Hormonálna regulácia ako mechanizmus medzibunkovej a medziorganickej koordinácie metabolizmu. Hlavné mechanizmy regulácie metabolizmu: zmena aktivity enzýmov v bunke, zmena množstva enzýmov v bunke (indukcia alebo represia syntézy), zmena permeability bunkových membrán.

2. Hormóny, všeobecná charakteristika, klasifikácia hormónov podľa chemickej štruktúry a biologických funkcií. Mechanizmus účinku proteínových hormónov.

3. Mechanizmus účinku hormónov steroidnej povahy a tyroxínu.

4. Hormóny hypotalamu. Luliberín, somatostatín, tyroliberín.

5. Hormóny hypofýzy. Hormóny zadnej hypofýzy: vazopresín, oxytocín.

6. Syntéza štruktúry a metabolizmus jódtyronínov.

7. Vplyv jódtyronínov na metabolizmus. Hypo- a hypertyreóza.

8. Hormóny drene nadobličiek. Štruktúra, vplyv na metabolizmus. biosyntéza katecholamínov.

9. Rastový hormón, štruktúra, funkcie.

10. Hormóny prištítnych teliesok. Regulácia metabolizmu fosforu a vápnika.

11. Inzulín. Glukagón. Vplyv na metabolizmus.

12. Hormonálny obraz inzulín-dependentného diabetes mellitus

13. Hormonálny obraz diabetes mellitus nezávislého od inzulínu

14. Steroidné hormóny. Glukokortikoidy.

15. Pohlavné hormóny.

16. Renín-angiotenzínový systém.

17. Kalikreín-kinínový systém.

Dokončite úlohy:

1. Liberíny:

A. Malé peptidy

B. Interakcia s cytoplazmatickými receptormi.

B. Aktivujte sekréciu tropických hormónov.

D. Prenášajú signál na receptory prednej hypofýzy.

D. Spôsobiť sekréciu inzulínu.

2. Vyberte nesprávne tvrdenie. cAMP:

A. Podieľa sa na mobilizácii glykogénu.

B. Druhý posol signálu.

B. Aktivátor proteínkinázy.

D. Koenzým adenylátcyklázy.

D. Fosfodiesterázový substrát.

3. Usporiadajte udalosti, ktoré sa vyskytujú počas syntézy jódtyronínov, v požadovanom poradí pomocou číselného zápisu:

A. Jód tyrozínových zvyškov v tyreoglobulíne.

B. Syntéza tyreoglobulínu.

B. Kondenzácia jódovaných tyrozínových zvyškov.

D. Transport jódtyronínov do cieľových buniek.

D. Tvorba komplexu s proteínom viažucim tyroxín.

4. Zoraďte uvedené metabolity v poradí ich vzniku:

A. 17-OH-progesterón.

B. Pregnenolon.

B. Cholesterol.

G. Progesterón

D. Kortizol.

5. Vyberte hormón, ktorého syntéza a sekrécia sa zvyšuje v reakcii na zvýšenie osmotického tlaku:

A. Aldosterón.

B. Kortizol.

B. Vasopresín.

G. Adrenalín.

D. Glukagón.

6. Pod vplyvom inzulínu v pečeni urýchľuje:

A. Biosyntéza bielkovín

B. Biosyntéza glykogénu.

B. Glukoneogenéza.

D. Biosyntéza mastných kyselín.

D. Glykolýza.

7. Pre trojdňový pôst sú pravdivé všetky nasledujúce skutočnosti okrem:

A. Inzulín-glukagónový index je znížený.

B. Rýchlosť glukoneogenézy z aminokyselín je zvýšená.

C. Rýchlosť syntézy TAG v pečeni klesá.

D. Rýchlosť b-oxidácie v pečeni klesá.

D. Koncentrácia ketolátok v krvi je nad normálnou hodnotou.

8. Kedy cukrovka vyskytuje sa v pečeni:

A. Urýchlenie syntézy glykogénu.

B. Znížená rýchlosť glukoneogenézy z laktátu.

B. Znížená rýchlosť mobilizácie glykogénu.

D. Zvýšenie rýchlosti syntézy acetoacetátu.

D. Zvýšená aktivita acetyl-CoA karboxylázy.

9. Kedy pacienti s NIDDM najčastejšie zistili:

A. Hyperglukóza.

B. Znížená rýchlosť syntézy inzulínu.

B. Koncentrácia inzulínu v krvi je normálna alebo nadnormálna.

D. Protilátky proti pankreatickým b-bunkám.

D. Mikroangiopatia.

LAB 14

Téma: Konštrukcia a analýza glykemických kriviek

Cieľ: Študovať intermediárny metabolizmus uhľohydrátov, úlohu uhľohydrátov v energetickom metabolizme. Klinický a diagnostický význam metódy cukornej záťaže pri diabetes mellitus, Addisonovej chorobe, hypotyreóze atď.

Princíp metódy : Stanovenie glukózy je založené na reakcii katalyzovanej glukózooxidázou:

glukóza + O2 glukonolaktón + H202

Peroxid vodíka vznikajúci pri tejto reakcii spôsobuje oxidáciu peroxidázových substrátov za vzniku farebného produktu.

Spôsob zaťaženia cukrom: Ráno nalačno sa pacientovi odoberie krv z prsta a stanoví sa koncentrácia glukózy v krvi. Potom dajte vypiť 50 - 100 g glukózy v 200 ml teplej prevarená voda(1 g glukózy na 1 kg hmotnosti) najviac 5 minút. Potom sa znova vyšetrí obsah glukózy v krvi, pričom sa odoberie krv z prsta každých 30 minút počas 2-3 hodín. Graf je zostavený v súradniciach: čas - koncentrácia glukózy v krvnom sére, podľa typu grafu sa stanoví alebo objasní diagnóza.

Pokrok: Vo vzorkách séra (pred a po príjme glukózy) stanovte koncentráciu glukózy. Na tento účel sa do série skúmaviek pridajú 2 ml pracovného činidla (fosfátový pufor, peroxidáza + substráty glukózooxidázy v pomere 40:1). Do jednej zo skúmaviek sa pridá 0,05 ml štandardného roztoku glukózy s koncentráciou 10 mmol/l. V iných - 0,05 ml krvného séra odobratého podľa metódy zaťaženia cukrom. Roztoky sa pretrepávajú a inkubujú pri teplote miestnosti počas 20 minút.

Po inkubácii sa meria optická hustota roztokov na FEC pri vlnovej dĺžke 490 nm. Kyveta s dĺžkou optickej dráhy 5 mm. Referenčný roztok - pracovné činidlo.

Výpočet koncentrácie glukózy:

C = 10 mmol/l

kde E op - optická hustota vo vzorkách séra;

E st - optická hustota štandardného roztoku glukózy

Výsledok analýzy:

Rozvrh:

Záver:

Dátum: Podpis učiteľa:

PRAKTICKÁ LEKCIA

Test3 Hormonálna regulácia metabolizmu

Hydrofilné hormóny sú vytvorené z aminokyselín alebo sú derivátmi aminokyselín. Vo veľkom množstve sa ukladajú v bunkách žliaz s vnútorným vylučovaním a podľa potreby sa dostávajú do krvi. Väčšina týchto látok je transportovaná v krvnom obehu bez účasti nosičov. Hydrofilné hormóny preto nie sú schopné prechádzať cez membránu lipofilných buniek prevádzkovať na cieľových bunkách väzbou na receptor na plazmatickej membráne.

Receptory sú integrálne membránové proteíny, na ktoré sa viažu signálne látky vonku membrány a zmenou priestorovej štruktúry generovať nový signál na vnútornej strane membrány.

Existujú tri typy receptorov:

1. Receptory prvého typu sú proteíny, ktoré majú jeden transmembránový reťazec. Aktívne miesto tohto alosterického enzýmu (mnohé z nich sú tyrozínové proteínkinázy) sa nachádza na vnútornej strane membrány. Keď sa hormón naviaže na receptor, ten sa dimerizuje so súčasnou aktiváciou a fosforyláciou tyrozínu v receptore. Proteínový nosič signálu sa viaže na fosfotyrozín, ktorý prenáša signál do intracelulárnych proteínkináz.
2. iónové kanály. Sú to membránové proteíny, ktoré sú po naviazaní na ligandy otvorené pre ióny Na+, K+ alebo Cl+. Takto fungujú neurotransmitery.
3. Receptory tretieho typu, spojené s proteínmi viažucimi GTP. Peptidový reťazec týchto receptorov obsahuje sedem transmembránových reťazcov. Takéto receptory signalizujú cez proteíny viažuce GTP (G-proteín) efektorové proteíny. Funkciou týchto proteínov je meniť koncentráciu sekundárnych poslov(Pozri nižšie).

Väzba hydrofilného hormónu na membránový receptor zahŕňa jeden z troch variantov intracelulárnej odpovede: 1) receptorové tyrozínkinázy aktivujú intracelulárne proteínkinázy, 2) aktivácia iónových kanálov vedie k zmene koncentrácie iónov, 3) aktivácia receptory spojené s proteínmi viažucimi GTP spúšťajú syntézu látok - medziproduktov, sekundárnych poslov. Všetky tri systémy prenosu hormonálnych signálov sú vzájomne prepojené.

Zvážte prenos signálu G-proteínmi, pretože tento proces hrá kľúčovú úlohu v mechanizme účinku mnohých hormónov. G-proteíny prenášajú signál z receptora tretieho typu na efektorové proteíny. Pozostávajú z troch podjednotiek: α, β a g. α-podjednotka môže viazať guanínové nukleotidy (GTP, GDP). V neaktívnom stave je G proteín spojený s HDP. Keď sa hormón naviaže na receptor, ten zmení svoju konformáciu takým spôsobom, že sa môže viazať na G proteín. Spojenie G-proteínu s receptorom vedie k výmene GDP za GTP. V tomto prípade je G-proteín aktivovaný, je oddelený od receptora a disociovaný na α-podjednotku a β,g-komplex. GTP-α-podjednotka sa viaže na efektorové proteíny a mení ich aktivitu, čo vedie k syntéze druhých poslov (messengerov): cAMP, cGMP, diacylglycerol (DAG), inozitol-1,4,5-trifosfát (I-3-P ) atď. Pomalá hydrolýza naviazaného GTP na GDP premení α-podjednotku do neaktívneho stavu a tá sa opäť asociuje s β,g-komplexom, t.j. G-proteín sa vracia do pôvodného stavu.

Druhí poslovia alebo mediátory, sú intracelulárne látky, ktorých koncentrácia je prísne kontrolovaná hormónmi, neurotransmitermi a inými extracelulárnymi signálmi. Najdôležitejšími druhými poslami sú cAMP, cGMP, diacylglycerol (DAG), inozitol-1,4,5-trifosfát (I-3-P), oxid dusnatý.

cAMP mechanizmus účinku. cAMP je alosterický efektor proteínkináz A (PK-A) a iónových kanálov. Vo svojom neaktívnom stave je PC-A tetramér, ktorého dve katalytické podjednotky (K-podjednotky) sú inhibované regulačnými podjednotkami (R-podjednotkami). Po naviazaní cAMP sa podjednotky R disociujú z komplexu a aktivujú sa podjednotky K.

Aktívny enzým môže fosforylovať špecifické serínové a treonínové zvyšky vo viac ako 100 rôznych proteínoch a transkripčných faktoroch. V dôsledku fosforylácie sa mení funkčná aktivita týchto proteínov.

Ak všetko spojíte, získate nasledujúcu schému adenylátcyklázového systému:

Aktivácia adenylátcyklázového systému trvá veľmi dlho krátky čas pretože G-proteín po naviazaní na adenylátcyklázu začína vykazovať aktivitu GTPázy. Po hydrolýze GTP G-proteín obnoví svoju konformáciu a prestane aktivovať adenylátcyklázu. V dôsledku toho sa reakcia tvorby cAMP zastaví.

Okrem účastníkov systému adenylátcyklázy majú niektoré cieľové bunky receptorové proteíny spojené s G-proteínmi, čo vedie k inhibícii adenylátcyklázy. Komplex „GTP-G-proteín“ zároveň inhibuje adenylátcyklázu.

Keď sa tvorba cAMP zastaví, fosforylačné reakcie v bunke sa nezastavia okamžite: pokiaľ budú molekuly cAMP naďalej existovať, proces aktivácie proteínkinázy bude pokračovať. Na zastavenie pôsobenia cAMP sa v bunkách nachádza špeciálny enzým - fosfodiesteráza, ktorý katalyzuje hydrolytickú reakciu 3,5"-cyklo-AMP na AMP.

Niektoré látky, ktoré majú inhibičný účinok na fosfodiesterázu (napríklad alkaloidy kofeín, teofylín), pomáhajú udržiavať a zvyšovať koncentráciu cyklo-AMP v bunke. Pod vplyvom týchto látok v tele sa trvanie aktivácie systému adenylátcyklázy predlžuje, to znamená, že účinok hormónu sa zvyšuje.

Okrem systémov adenylátcyklázy alebo guanylátcyklázy existuje aj mechanizmus prenosu informácií vo vnútri cieľovej bunky za účasti iónov vápnika a inozitoltrifosfátu.

Inositoltrifosfát je látka, ktorá je derivátom komplexného lipidu – inozitolfosfatidu. Vzniká v dôsledku pôsobenia špeciálneho enzýmu - fosfolipázy "C", ktorý sa aktivuje v dôsledku konformačných zmien v intracelulárnej doméne proteínu membránového receptora.

Tento enzým hydrolyzuje fosfoesterovú väzbu v molekule fosfatidylinozitol-4,5-bisfosfátu, čo vedie k tvorbe diacylglycerolu a inozitoltrifosfátu.

Je známe, že tvorba diacylglycerolu a inozitoltrifosfátu vedie k zvýšeniu koncentrácie ionizovaného vápnika vo vnútri bunky. To vedie k aktivácii mnohých proteínov závislých od vápnika vo vnútri bunky, vrátane aktivácie rôznych proteínkináz. A tu, rovnako ako v prípade aktivácie systému adenylátcyklázy, je jedným zo štádií prenosu signálu vo vnútri bunky fosforylácia proteínov, ktorá vedie k fyziologickej reakcii bunky na pôsobenie hormónu.

Špeciálny proteín viažuci vápnik kalmodulín sa podieľa na práci fosfoinozitidového signalizačného mechanizmu v cieľovej bunke. Ide o proteín s nízkou molekulovou hmotnosťou (17 kDa), z 30 % pozostáva z negatívne nabitých aminokyselín (Glu, Asp), a preto je schopný aktívne viazať Ca+2. Jedna molekula kalmodulínu má 4 väzbové miesta pre vápnik. Po interakcii s Ca +2 dochádza ku konformačným zmenám v molekule kalmodulínu a komplex „Ca +2 -kalmodulín“ sa stáva schopným regulovať aktivitu (alostericky inhibovať alebo aktivovať) mnohé enzýmy - adenylátcyklázu, fosfodiesterázu, Ca +2, Mg + 2-ATPáza a rôzne proteínkinázy.

V rôznych bunkách, keď je komplex „Ca +2-kalmodulín“ vystavený izoenzýmom toho istého enzýmu (napríklad adenylátcykláze iný typ) v niektorých prípadoch sa pozoruje aktivácia a v iných inhibícia reakcie tvorby cAMP. K takýmto rozdielnym účinkom dochádza preto, lebo alosterické centrá izoenzýmov môžu obsahovať rôzne aminokyselinové radikály a ich odozva na pôsobenie komplexu Ca + 2 -kalmodulínu bude rôzna.

Úloha „druhých poslov“ na prenos signálov z hormónov v cieľových bunkách teda môže byť:

cyklické nukleotidy (c-AMP a c-GMP);

Ca ióny;

komplex "Sa-kalmodulín";

diacylglycerín;

Inositoltrifosfát

Mechanizmy na prenos informácií z hormónov vo vnútri cieľových buniek pomocou týchto mediátorov majú spoločné znaky:

1. jedným zo štádií prenosu signálu je fosforylácia proteínov;

2. ukončenie aktivácie nastáva v dôsledku špeciálnych mechanizmov iniciovaných samotnými účastníkmi procesov – existujú mechanizmy negatívnej spätnej väzby.

Hormóny sú hlavnými humorálnymi regulátormi fyziologických funkcií tela a ich vlastnosti, biosyntetické procesy a mechanizmy účinku sú dnes dobre známe.