Hidrofilni hormoni, njihova struktura i biološke funkcije. Kalcij kao sekundarni glasnik Sekundarni glasnik hormona

Pri prijenosu signala u stanici primarni glasnici su kemijski spojevi ili fizikalni čimbenici (kvanti svjetlosti) koji mogu aktivirati mehanizam prijenosa signala u stanici. U odnosu na stanicu primateljicu, primarni glasnici su izvanstanični signali. Vrijedno je napomenuti da molekule koje su obilno prisutne unutar stanice, ali se normalno nalaze u vrlo niskim koncentracijama u međustaničnom prostoru (primjerice, ATP liglutamat) također mogu djelovati kao izvanstanični podražaji. Ovisno o funkciji primarnih posrednika možemo podijeliti u nekoliko skupina:

• citokini

  neurotransmitera

  čimbenici rasta

  kemokini

Receptori – posebni proteini koji osiguravaju da stanica primi signal od primarnih glasnika. Za ove proteine, primarni glasnici su ligandi.

Da bi se osigurala funkcija receptora, proteinske molekule moraju ispunjavati niz zahtjeva:

Imaju visoku selektivnost za ligand;

Kinetiku vezanja liganda treba opisati krivuljom zasićenja koja odgovara stanju pune popunjenosti svih receptorskih molekula, čiji je broj ograničen na membrani;

Receptori moraju imati tkivnu specifičnost, odražavajući prisutnost ili odsutnost ovih funkcija u stanicama ciljnog organa;

Vezanje liganda i njegov stanični (fiziološki) učinak moraju biti reverzibilni, a parametri afiniteta moraju odgovarati fiziološkim koncentracijama liganda.

Stanični receptori se dijele u sljedeće klase:

membrana

• receptorske tirozin kinaze

  G protein spregnuti receptori

  ionski kanali

citoplazmatski

Membranski receptori prepoznaju velike (na primjer, inzulin) ili hidrofilne (na primjer, adrenalin) signalne molekule koje ne mogu samostalno prodrijeti u stanicu. Male hidrofobne signalne molekule (na primjer, trijodtironin, steroidni hormoni, CO, NO) mogu prodrijeti u stanicu zahvaljujući difuziji. Receptori za takve hormone obično su topljivi citoplazmatski ili nuklearni proteini. Nakon što se ligand veže za receptor, informacija o tom događaju prenosi se dalje duž lanca i dovodi do stvaranja primarnog i sekundarnog staničnog odgovora.

Mehanizmi aktivacije receptora. Ako vanjska signalna molekula djeluje na receptore stanične membrane i aktivira ih, potonji prenose primljenu informaciju sustavu proteinskih komponenti membrane, koji se naziva kaskada prijenosa signala. Membranski proteini kaskade prijenosa signala dijele se na:

transduktorski proteini povezani s receptorima

enzimi pojačala povezani s proteinima transduktora (aktiviraju sekundarne unutarstanične glasnike koji prenose informacije unutar stanice).

Ovako djeluju receptori povezani s G proteinom. Ostali receptori (ionski kanali, receptori s aktivnošću protein kinaze) sami služe kao multiplikatori.

4.3.2. Sekundarni posrednici

To su tvari niske molekulske mase koje nastaju ili oslobađaju kao rezultat enzimske aktivnosti jedne od komponenti lanca prijenosa signala i pridonose njegovom daljnjem prijenosu i pojačavanju. Sekundarne glasnike karakteriziraju sljedeća svojstva: imaju malu molekulsku masu i velikom brzinom difundiraju u citoplazmi; brzo se cijepaju i brzo uklanjaju iz citoplazme. Sekundarni posrednici uključuju:

ioni kalcija (Ca2+);

ciklički adenozin monofosfat (cAMP) i ciklički gvanozin monofosfat (cGMP)

inozitol trifosfat

lipofilne molekule (npr. diacilglicerol);

dušikov oksid (NO) (ova molekula također djeluje kao primarni glasnik koji prodire u stanicu izvana).

Ponekad se u stanici stvaraju i tercijarni glasnici. Stoga ioni Ca2+ obično djeluju kao sekundarni glasnik, ali kada se signal prenosi pomoću inozitol trifosfata (sekundarni glasnik), ioni Ca2+ koji se oslobađaju iz EPR-a uz njegovo sudjelovanje služe kao tercijarni glasnik.

Mehanizam prijenosa signala pretpostavlja približno sljedeću shemu:

Interakcija vanjskog agensa (podražaja) sa staničnim receptorom,

Aktivacija efektorske molekule koja se nalazi u membrani i odgovorna je za stvaranje sekundarnih glasnika,

Obrazovanje srednjih posrednika,

Aktivacija ciljnih proteina pomoću medijatora, uzrokujući stvaranje daljnjih medijatora,

Nestanak posrednika.

Prijenos staničnih signala (stanična signalizacija) dio je složenog komunikacijskog sustava koji kontrolira osnovne stanične procese i koordinira djelovanje stanice. Sposobnost stanica da ispravno reagiraju na promjene u svojoj okolini (mikrookoliši) temelj je razvoja, popravka tkiva, imuniteta i sustava za održavanje homeostaze u cjelini. Pogreške u sustavima za obradu staničnih informacija mogu dovesti do raka, autoimunih bolesti i dijabetesa. Razumijevanje mehanizama prijenosa signala unutar stanica može dovesti do razvoja tretmana za bolesti, pa čak i do stvaranja umjetnih tkiva.

Tradicionalno, biološka su istraživanja usmjerena na proučavanje pojedinačnih dijelova sustava prijenosa signala. Poznavanje komponenti signalnih sustava pomaže u razumijevanju ukupne strukture staničnih signalnih sustava i kako promjene u njima mogu utjecati na prijenos i curenje informacija. Sustavi prijenosa signala u stanici složeno su organizirani kompleksi i imaju takve kvalitete kao što su ultraosjetljivost i bistabilnost (sposobnost da budu u jednom od dva postojeća stanja). Analiza sustava stanične signalne transdukcije uključuje kombinaciju eksperimentalnih i teorijskih studija koje uključuju razvoj i analizu modela i simulatora.

Sažetak. Ovo poglavlje ispituje osnovne principe i probleme molekularne biologije na primjeru fenomena programirane stanične smrti (apoptoze), međustanične i unutarstanične interakcije, te upotrebe molekularno genetskih markera (na primjeru lančane reakcije polimeraze) za temeljne i primijenjene namjene.

Testni zadaci

Podrijetlo i razvoj apoptoze u različitim skupinama organizama.

Značajke i glavni putovi indukcije glavnih faza apoptoze.

Osnovni mehanizmi regulacije apoptoze.

Patologije uzrokovane poremećajima u procesu apoptoze.

Glavne vrste molekularno-genetičkih markera.

Povijest otkrića, metodologija lančane reakcije polimerazom.

Značajke provođenja i primjene glavnih vrsta PCR.

Važnost prijenosa signala u međustaničnim i unutarstaničnim interakcijama.

Mehanizmi aktivacije receptorskih proteina.

Mehanizmi prijenosa signala tijekom međustanične interakcije.

Odgovor ciljne stanice na djelovanje hormona nastaje stvaranjem kompleksa hormonskog receptora (GR), što dovodi do aktivacije samog receptora, pokretanja odgovora stanice. Hormon adrenalin u interakciji s receptorom otvara membranske kanale, a ulazna struja iona Na + - određuje funkciju stanice. Međutim, većina hormona otvara ili zatvara membranske kanale ne samostalno, već u interakciji s G proteinom.

Mehanizam djelovanja hormona na ciljne stanice povezan je s njihovom kemijskom strukturom:

■ hormoni topivi u vodi - proteini i polipeptidi, kao i derivati ​​aminokiselina - kateholamini, stupaju u interakciju s receptorima ciljne stanične membrane, tvoreći kompleks hormon-receptor (GR). Pojavom ovog kompleksa dolazi do stvaranja sekundarni ili unutarstanični glasnik, s kojim su povezane promjene u funkciji stanice. Broj receptora na površini membrane ciljne stanice je približno 104-105;

■ hormoni topivi u mastima - steroidi - prolaze kroz membranu ciljne stanice i stupaju u interakciju s plazma receptorima, čiji se broj kreće od 3000 do 104, tvoreći GR kompleks, koji zatim ulazi u jezgrinu membranu. Steroidni hormoni i derivati ​​aminokiseline tirozina - tiroksin i trijodtironin - prodiru kroz jezgrinu membranu i stupaju u interakciju s jezgrinim receptorima povezanim s jednim ili više kromosoma, što rezultira promjenama u sintezi proteina u ciljnoj stanici.

Prema suvremenim shvaćanjima, učinak hormona posljedica je stimulacije ili inhibicije katalitičke funkcije određenih enzima u ciljnim stanicama. Ovaj učinak se može postići na dva načina:

■ interakcija hormona s receptorima na površini stanične membrane i pokretanje lanca biokemijskih transformacija u membrani i citoplazmi;

■ prodiranje hormona kroz membranu i vezanje na citoplazmatske receptore, nakon čega hormonski receptorski kompleks prodire u jezgru i organele stanice, gdje ostvaruje svoj regulatorni učinak sintezom novih enzima.

Prvi put vodi do aktivacije membranskih enzima i stvaranja sekundarnih glasnika. Danas su poznata četiri sustava sekundarnih glasnika:

■ adenilat ciklaza - cAMP;

■ gvanilat ciklaza - cGMP;

■ fosfolipaza - inozitol trifosfat;

■ kalmodulin – ionizirani Ca 2+.

Drugi način utjecaja na ciljne stanice je kompleksiranje hormona s receptorima koji se nalaze u jezgri stanice, što dovodi do aktivacije ili inhibicije njezinog genetskog aparata.

Membranski receptori i sekundarni glasnici

Hormoni, vežući se na membranske receptore ciljne stanice, tvore kompleks hormon-receptor GR (korak 1) (Sl. 6.3). Konformacijske promjene u receptoru aktiviraju stimulatorni G protein (u kombinaciji s receptorom), koji je kompleks tri podjedinice (α-, β-, γ-) i gvanozin difosfata (GDP). zamjena

TABLICA 6.11. Kratke karakteristike hormona

Gdje se proizvode hormoni?		Ime hormona		skraćenica	Učinci na ciljne stanice
hipotalamus		Hormon koji oslobađa tireotropin			Potiče proizvodnju tireotropina u adenohipofizi
hipotalamus		Hormon koji oslobađa kortikotropin			Potiče proizvodnju ACTH u adenohipofizi
hipotalamus		Hormon koji oslobađa gonadotropin			Potiče proizvodnju luteinizirajućeg (LH) i folikulostimulirajućeg (FSP) hormona u adenohipofizi
hipotalamus		Faktor oslobađanja hormona rasta			Potiče proizvodnju hormona rasta u adenohipofizi
hipotalamus		somatostatin			Suzbija proizvodnju hormona rasta u adenohipofizi
hipotalamus		Faktor inhibicije prolaktina (dopamin)			Suzbija proizvodnju prolaktina u adenohipofizi
hipotalamus		Čimbenik stimulacije prolaktina			Potiče proizvodnju prolaktina u adenohipofizi
hipotalamus		oksitocin			Potiče lučenje mlijeka i kontrakcije maternice
hipotalamus		Vazopresin - antidiuretski hormon			Potiče reapsorpciju vode u distalnom nefronu
Prednja hipofiza		TSH ili hormon koji stimulira štitnjaču		TSH ili TSH	Potiče sintezu i lučenje tiroksina i trijodtironina u štitnjači
Prednja hipofiza					Potiče izlučivanje glukokortikoida (kortizola) iz kore nadbubrežne žlijezde
Prednja hipofiza		folikulostimulirajući hormon			Stimulira rast folikula i lučenje estrogena u jajnicima
Prednja hipofiza		luteinizirajućeg hormona			Potiče ovulaciju, stvaranje žutog tijela, kao i sintezu estrogena i progesterona u jajnicima
Prednja hipofiza		Hormon rasta ili somatotropni hormon			Potiče sintezu proteina i ukupni rast
Prednja hipofiza		prolaktin			Potiče proizvodnju i lučenje mlijeka
Prednja hipofiza		β-lipotropin
Intermedijarni režanj hipofize		Melznotropin			Potiče sintezu melanina kod riba, vodozemaca, gmazova (kod ljudi potiče rast kostura (okoštavanje kostiju), pojačava intenzitet metabolizma, stvaranje topline, povećava iskorištavanje bjelančevina, masti, ugljikohidrata u stanicama, potiče stvaranje psihičke funkcije nakon rođenja djeteta
štitnjača		L-tiroksin
		trijodtironin
Kora nadbubrežne žlijezde (retikularna zona)		spolnih hormona			Stimulira proizvodnju dihidrohepiandrosterona i androstenediona
Kora nadbubrežne žlijezde (zona fasciculata)		glukokortikoidi (kortizol)			Stimulira glukoneogenezu, protuupalni učinak, potiskuje imunološki sustav
Kora nadbubrežne žlijezde (zona glomerulosa)		aldosteron			Povećava reapsorpciju Na + iona, izlučivanje K + iona u tubulima nefrona
mozak tvar nadbubrežne žlijezde		Adrenalin, norepinefrin			Aktivacija alfa, beta adrenergičkih receptora
		estrogeni			Rast i razvoj ženskih spolnih organa, proliferativna faza menstrualnog ciklusa
		progesteron			Sekretorna faza menstrualnog ciklusa
		testosterona			Spermatogeneza, muške sekundarne spolne karakteristike
Par štitnjače		Parat hormon (paratiroidni hormon)			Povećava koncentraciju Ca 2+ iona u krvi (demineralizacija kostiju)
Štitnjača (C stanice)	kalcitonin					Smanjuje koncentraciju Ca2+ iona u krvi
Aktivacija u bubrezima	1,25-dihidroksikolekalciferol (kalcitriol)					Povećava apsorpciju Ca 2+ iona u crijevima
Gušterača – beta stanice						Smanjuje koncentraciju glukoze u krvi
Gušterača – alfa stanice	glukagon					Povećava koncentraciju glukoze u krvi
posteljica	Ljudski korionski gonadotropin					Povećava sintezu estrogena i progesterona
posteljica	Ljudski placentni laktogen					Djeluje poput hormona rasta i prolaktina tijekom trudnoće

RIŽA. 6.3. Shema mehanizma djelovanja hormona s stvaranjem sekundarnog intracelularnog glasnika cAMP. GDP - gvanin difosfat, GTP - gvanin trifosfat

GDP u gvanozin trifosfat GTP (korak 2) dovodi do odvajanja α-podjedinice, koja odmah stupa u interakciju s drugim signalnim proteinima, mijenjajući aktivnost ionskih kanala ili staničnih enzima - adenilat ciklaze ili fosfolipaze C - i funkciju stanice.

Djelovanje hormona na ciljne stanice uz stvaranje drugog glasnika cAMP

Aktivirani membranski enzim adenilat ciklaza pretvara ATP u drugi glasnik ciklički adenozin monofosfat cAMP (korak 3) (vidi sliku 6.3), koji zauzvrat aktivira enzim protein kinazu A (korak 4), što dovodi do fosforilacije specifičnih proteina ( korak 5).posljedica čega je promjena fiziološke funkcije (korak 6), npr. stvaranje novih membranskih kanala za ione kalcija, što dovodi do povećanja snage srčanih kontrakcija.

Drugi glasnik cAMP se razgrađuje pomoću enzima fosfodiesteraze u neaktivni oblik 5'-AMP.

Neki hormoni (natrijuretici) stupaju u interakciju s inhibitornim G-proteinima, što dovodi do smanjenja aktivnosti membranskih enzima adenilat ciklaze i smanjenja funkcije stanica.

Djelovanje hormona na ciljne stanice uz stvaranje sekundarnih glasnika - diacilglicerola i inozitol-3-fosfata

Hormon stvara kompleks s membranskim receptorom - OS (korak 1) (slika 6.4) i preko G-proteina (korak 2) aktivira fosfolipazu C vezanu na unutarnju površinu receptora (korak 3).

Pod utjecajem fosfolipaze C, koja hidrolizira membranske fosfolipide (fosfatidilinozitol bifosfat), nastaju dva sekundarna glasnika - diacilglicerol (DG) i inozitol-3-fosfat (IP3) (korak 4).

Sekundarni glasnik IP3 mobilizira otpuštanje iona Ca 2+ iz mitohondrija i endoplazmatskog retikuluma (korak 5), koji se ponašaju kao sekundarni glasnici. Ioni Ca2+ zajedno s DH (lipidni drugi glasnik) aktiviraju enzim protein kinazu C (korak 6), koji fosforilira proteine ​​i uzrokuje promjene u fiziološkim funkcijama ciljne stanice.

Djelovanje hormona kroz sustave kalcij-kalmodulin koji djeluje kao sekundarni posrednik. Kad kalcij uđe u stanicu, on se veže za kalmodulin i aktivira ga. Aktivirani kalmodulin, pak, povećava aktivnost protein kinaze, što dovodi do fosforilacije proteina, mijenjajući funkcije stanica.

Učinak hormona na genetski aparat stanice

Steroidni hormoni topivi u mastima prolaze kroz membranu ciljne stanice (korak 1) (Sl. 6.5), gdje se vežu na receptorske proteine ​​u citoplazmi. Formirani GR kompleks (korak 2) difundira u jezgru i veže se na specifične regije DNA kromosoma (korak 3), aktivirajući proces transkripcije stvaranjem mRNA (korak 4). MRNA prenosi matricu u citoplazmu, gdje osigurava procese translacije na ribosomima (korak 5) i sintezu novih proteina (korak 6), što dovodi do promjena u fiziološkim funkcijama.

Hormoni štitnjače topivi u mastima, tiroksin i trijodtironin, ulaze u jezgru gdje se vežu za receptorski protein, koji se nalazi na DNK kromosomima. Ovi receptori kontroliraju funkciju promotora i operatora gena.

Hormoni aktiviraju genetske mehanizme koji se nalaze u jezgri koji proizvode više od 100 vrsta staničnih proteina. Mnogi od njih su enzimi koji povećavaju metaboličku aktivnost tjelesnih stanica. Nakon što jednom reagiraju s unutarstaničnim receptorima, hormoni štitnjače osiguravaju kontrolu ekspresije gena nekoliko tjedana.

Sustavi sekundarnih glasnika djelovanja hormona su:

1. Adenilat ciklaza i ciklički AMP,

2. Gvanilat ciklaza i ciklički GMP,

3. Fosfolipaza C:

diacilglicerol (DAG),

Inozitol trifosfat (IF3),

4. Ionizirani Ca – kalmodulin

Heterotromni protein G protein.

Ovaj protein tvori petlje u membrani i ima 7 segmenata. Uspoređuju se sa zmijolikim vrpcama. Ima izbočene (vanjski) i unutarnje dijelove. Hormon je pričvršćen na vanjskom dijelu, a na unutarnjoj površini nalaze se 3 podjedinice - alfa, beta i gama. U neaktivnom stanju ovaj protein ima gvanozin difosfat. Ali nakon aktivacije, guanozin difosfat se mijenja u guanozin trifosfat. Promjena aktivnosti G proteina dovodi ili do promjene ionske propusnosti membrane, ili do aktivacije enzimskog sustava u stanici (adenilat ciklaza, gvanilat ciklaza, fosfolipaza C). To uzrokuje stvaranje specifičnih proteina, aktivira se protein kinaza (potrebna za procese fosforilacije).

G proteini mogu biti aktivirajući (Gs) i inhibitorni, odnosno inhibitorni (Gi).

Uništavanje cikličkog AMP događa se pod djelovanjem enzima fosfodiesteraze. Ciklički GMF ima suprotan učinak. Kada se fosfolipaza C aktivira, stvaraju se tvari koje potiču nakupljanje ioniziranog kalcija unutar stanice. Kalcij aktivira proteinske cinaze i potiče kontrakciju mišića. Diacilglicerol potiče pretvorbu membranskih fosfolipida u arahidonsku kiselinu, koja je izvor stvaranja prostaglandina i leukotriena.

Hormonski receptorski kompleks prodire u jezgru i djeluje na DNA, koja mijenja procese transkripcije i proizvodi mRNA, koja napušta jezgru i odlazi u ribosome.

Stoga hormoni mogu imati:

1. Kinetičko ili startno djelovanje,

2. Metaboličko djelovanje,

3. Morfogenetski učinak (diferencijacija tkiva, rast, metamorfoza),

4. Korektivna radnja (korektivna, adaptacijska).

Mehanizmi djelovanja hormona u stanicama:

Promjene u propusnosti stanične membrane,

Aktivacija ili inhibicija enzimskih sustava,

Utjecaj na genetske informacije.

Regulacija se temelji na bliskoj interakciji endokrinog i živčanog sustava. Procesi ekscitacije u živčanom sustavu mogu aktivirati ili inhibirati aktivnost endokrinih žlijezda. (Razmotrite, na primjer, proces ovulacije kod kunića. Ovulacija kod kunića događa se tek nakon parenja, što potiče otpuštanje gonadotropnog hormona iz hipofize. Potonji uzrokuje proces ovulacije).

Nakon pretrpljene mentalne traume može doći do tireotoksikoze. Živčani sustav kontrolira otpuštanje hipofiznih hormona (neurohormona), a hipofiza utječe na rad ostalih žlijezda.

Postoje mehanizmi povratne sprege. Nakupljanje hormona u tijelu dovodi do inhibicije proizvodnje tog hormona od strane odgovarajuće žlijezde, a nedostatak će biti mehanizam za poticanje stvaranja hormona.

Postoji mehanizam samoregulacije. (Npr. razina glukoze u krvi određuje stvaranje inzulina i(ili) glukagona; ako se razina šećera poveća, proizvodi se inzulin, a ako se smanji, proizvodi se glukagon. Nedostatak Na potiče stvaranje aldosterona).

5. Hipotalamo-hipofizni sustav. Njegova funkcionalna organizacija. Neurosekretorne stanice hipotalamusa. Karakteristike tropskih hormona i oslobađajućih hormona (liberini, statini). Epifiza (pinealna žlijezda).

6. Adenohipofiza, njena veza sa hipotalamusom. Priroda djelovanja hormona prednje hipofize. Hipo- i hipersekrecija hormona adenohipofize. Dobne promjene u stvaranju hormona u prednjem režnju.

Stanice adenohipofize (njihovu strukturu i sastav vidjeti u tečaju histologije) proizvode sljedeće hormone: somatotropin (hormon rasta), prolaktin, tireotropin (hormon koji stimulira štitnjaču), hormon koji stimulira folikule, luteinizirajući hormon, kortikotropin (ACTH), melanotropin, beta-endorfin, dijabetogeni peptid, egzoftalmički faktor i hormon rasta jajnika. Pogledajmo pobliže učinke nekih od njih.

Kortikotropin . (adrenokortikotropni hormon - ACTH) izlučuje adenohipofiza u kontinuiranim pulsirajućim naletima koji imaju jasan dnevni ritam. Izlučivanje kortikotropina regulirano je izravnim i povratnim vezama. Izravnu vezu predstavlja hipotalamički peptid - kortikoliberin, koji pojačava sintezu i izlučivanje kortikotropina. Povratna sprega je potaknuta sadržajem kortizola u krvi (hormon kore nadbubrežne žlijezde) i zatvorena je i na razini hipotalamusa i adenohipofize, a povećanje koncentracije kortizola inhibira izlučivanje kortikotropina i kortikotropina.

Kortikotropin ima dva tipa djelovanja - nadbubrežno i ekstranadbubrežno. Nadbubrežno djelovanje je glavno i sastoji se u poticanju lučenja glukokortikoida, au znatno manjoj mjeri mineralokortikoida i androgena. Hormon pojačava sintezu hormona u kori nadbubrežne žlijezde - steroidogenezu i sintezu proteina, što dovodi do hipertrofije i hiperplazije kore nadbubrežne žlijezde. Ekstraadrenalni učinak sastoji se od lipolize masnog tkiva, pojačanog izlučivanja inzulina, hipoglikemije, povećanog taloženja melanina s hiperpigmentacijom.

Višak kortikotropina prati razvoj hiperkortizolizma s dominantnim povećanjem lučenja kortizola i naziva se "Icenko-Cushingova bolest". Glavne manifestacije tipične su za višak glukokortikoida: pretilost i druge metaboličke promjene, smanjenje učinkovitosti imunoloških mehanizama, razvoj arterijske hipertenzije i mogućnost dijabetesa. Nedostatak kortikotropina uzrokuje insuficijenciju glukokortikoidne funkcije nadbubrežnih žlijezda s izraženim metaboličkim promjenama, kao i smanjenjem otpornosti organizma na nepovoljne uvjete okoline.

Somatotropin. . Hormon rasta ima širok raspon metaboličkih učinaka koji osiguravaju morfogenetske učinke. Hormon utječe na metabolizam proteina, pojačavajući anaboličke procese. Potiče opskrbu stanica aminokiselinama, sintezu proteina ubrzavanjem translacije i aktivacijom sinteze RNK, pojačava diobu stanica i rast tkiva te inhibira proteolitičke enzime. Potiče ugradnju sulfata u hrskavicu, timidina u DNA, prolina u kolagen, uridina u RNA. Hormon uzrokuje pozitivnu ravnotežu dušika. Potiče rast epifizne hrskavice i njihovu zamjenu koštanim tkivom aktivacijom alkalne fosfataze.

Učinak na metabolizam ugljikohidrata je dvojak. S jedne strane, somatotropin povećava proizvodnju inzulina i zbog izravnog djelovanja na beta stanice i zbog hiperglikemije izazvane hormonima uzrokovane razgradnjom glikogena u jetri i mišićima. Somatotropin aktivira jetrenu insulinazu, enzim koji uništava inzulin. S druge strane, somatotropin ima kontrainzularni učinak, inhibirajući korištenje glukoze u tkivima. Ova kombinacija učinaka, u prisutnosti predispozicije u uvjetima prekomjerne sekrecije, može uzrokovati dijabetes melitus, koji se naziva hipofiznim podrijetlom.

Djelovanje na metabolizam masti je stimulacija lipolize masnog tkiva i lipolitičkog učinka kateholamina, povećanje razine slobodnih masnih kiselina u krvi; zbog njihovog prekomjernog unosa u jetru i oksidacije povećava se stvaranje ketonskih tijela. Ovi učinci somatotropina također se klasificiraju kao dijabetogeni.

Ako se višak hormona javlja u ranoj dobi, formira se gigantizam s proporcionalnim razvojem udova i trupa. Višak hormona u adolescenciji i odrasloj dobi uzrokuje pojačan rast epifiznih područja kostiju kostura, područja s nepotpunim okoštavanjem, što se naziva akromegalija. . Unutarnji organi također se povećavaju u veličini - splanhomegalija.

Uz kongenitalni nedostatak hormona, formira se patuljasti rast, nazvan "hipofizni nanizam". Nakon objave romana J. Swifta o Gulliveru, takve ljude kolokvijalno nazivamo Liliputancima. U drugim slučajevima, stečeni nedostatak hormona uzrokuje blagi zastoj u rastu.

Prolaktin . Izlučivanje prolaktina regulirano je peptidima hipotalamusa - inhibitorom prolaktinostatinom i stimulatorom prolaktoliberinom. Proizvodnja hipotalamičkih neuropeptida je pod dopaminergičkom kontrolom. Razina estrogena i glukokortikoida u krvi utječe na količinu lučenja prolaktina

i hormone štitnjače.

Prolaktin posebno potiče razvoj mliječne žlijezde i laktaciju, ali ne i njezino lučenje koje potiče oksitocin.

Osim na mliječne žlijezde, prolaktin utječe na spolne žlijezde, pomažući u održavanju sekretorne aktivnosti žutog tijela i stvaranju progesterona. Prolaktin je regulator metabolizma vode i soli, smanjuje izlučivanje vode i elektrolita, potencira djelovanje vazopresina i aldosterona, potiče rast unutarnjih organa, eritropoezu i potiče ispoljavanje majčinskog instinkta. Osim što pospješuje sintezu proteina, povećava stvaranje masti iz ugljikohidrata, što pridonosi postporođajnoj pretilosti.

Melanotropin . . Nastaje u stanicama srednjeg režnja hipofize. Proizvodnja melanotropina regulirana je hipotalamičkim melanoliberinom. Glavni učinak hormona je na melanocite kože, gdje uzrokuje depresiju pigmenta u procesima, povećanje slobodnog pigmenta u epidermisu koji okružuje melanocite i povećanje sinteze melanina. Povećava pigmentaciju kože i kose.

Neurohipofiza, njena veza s hipotalamusom. Učinci hormona stražnje hipofize (oksigocin, ADH). Uloga ADH u regulaciji volumena tekućine u tijelu. Dijabetes insipidus.

vazopresin . . Nastaje u stanicama supraoptičke i paraventrikularne jezgre hipotalamusa i nakuplja se u neurohipofizi. Glavni podražaji koji reguliraju sintezu vazopresina u hipotalamusu i njegovo izlučivanje u krv od strane hipofize općenito se mogu nazvati osmotskim. Predstavljeni su: a) povećanjem osmotskog tlaka krvne plazme i stimulacijom vaskularnih osmoreceptora i osmoreceptorskih neurona hipotalamusa; b) povećanje sadržaja natrija u krvi i stimulacija neurona hipotalamusa koji djeluju kao receptori za natrij; c) smanjenje središnjeg volumena cirkulirajuće krvi i krvnog tlaka, koje percipiraju volumenski receptori srca i mehanoreceptori krvnih žila;

d) emocionalno-bolni stres i tjelesna aktivnost; e) aktivacija renin-angiotenzinskog sustava i učinak angiotenzinske stimulacije neurosekretornih neurona.

Učinci vazopresina ostvaruju se zbog vezanja hormona u tkivima na dvije vrste receptora. Vezanje na receptore tipa Y1, pretežno lokalizirane u stijenci krvnih žila, preko sekundarnih glasnika inozitol trifosfata i kalcija uzrokuje vaskularni spazam, što doprinosi nazivu hormona - "vazopresin". Vezanje na receptore tipa Y2 u distalnim dijelovima nefrona preko sekundarnog glasnika c-AMP osigurava povećanje propusnosti sabirnih kanalića nefrona za vodu, njezinu reapsorpciju i koncentraciju u urinu, što odgovara drugom nazivu vazopresina - “ antidiuretskog hormona, ADH”.

Uz djelovanje na bubrege i krvne žile, vazopresin je jedan od važnih moždanih neuropeptida koji sudjeluje u formiranju žeđi i ponašanja pri pijenju, mehanizmima pamćenja i regulaciji lučenja adenopituitarnih hormona.

Nedostatak ili čak potpuni izostanak izlučivanja vazopresina očituje se u obliku oštrog povećanja diureze s oslobađanjem velikih količina hipotoničnog urina. Ovaj sindrom se zove " dijabetes insipidus", može biti prirođena ili stečena. Sindrom viška vazopresina (Parhonov sindrom) manifestira se

kod prekomjernog zadržavanja tekućine u tijelu.

Oksitocin . Sinteza oksitocina u paraventrikularnim jezgrama hipotalamusa i njegovo otpuštanje u krv iz neurohipofize stimulira se refleksnim putem kada se iritiraju receptori istezanja cerviksa i receptori mliječnih žlijezda. Estrogeni povećavaju lučenje oksitocina.

Oksitocin uzrokuje sljedeće učinke: a) potiče kontrakciju glatkih mišića maternice, pospješujući porođaj; b) uzrokuje kontrakciju glatkih mišićnih stanica izvodnih kanala mliječne žlijezde u laktaciji, osiguravajući oslobađanje mlijeka; c) pod određenim uvjetima djeluje diuretski i natrijuretsko; d) sudjeluje u organizaciji pijenja i prehrane; e) dodatni je čimbenik u regulaciji lučenja adenopituitarnih hormona.

Kratki opis:

Edukativni materijali iz biokemije i molekularne biologije: Građa i funkcije bioloških membrana.

MODUL 4: GRAĐA I FUNKCIJA BIOLOŠKIH MEMBRANA

_Teme _

4.1. Opće karakteristike membrana. Struktura i sastav membrana

4.2. Prijenos tvari kroz membrane

4.3. Transmembranska signalizacija _

Ciljevi učenja Biti u stanju:

1. Protumačiti ulogu membrana u regulaciji metabolizma, transportu tvari u stanicu i uklanjanju metabolita.

2. Objasniti molekularne mehanizme djelovanja hormona i drugih signalnih molekula na ciljne organe.

Znati:

1. Građa bioloških membrana i njihova uloga u metabolizmu i energiji.

2. Glavne metode prijenosa tvari kroz membrane.

3. Glavne komponente i stupnjevi transmembranske signalizacije hormona, medijatora, citokina, eikosanoida.

TEMA 4.1. OPĆE KARAKTERISTIKE MEMBRANA.

GRAĐA I SASTAV MEMBRANA

Sve stanice i unutarstanične organele okružene su membranama koje igraju važnu ulogu u njihovoj strukturnoj organizaciji i funkcioniranju. Osnovni principi izgradnje svih membrana su isti. Međutim, plazma membrana, kao i membrane endoplazmatskog retikuluma, Golgijevog aparata, mitohondrija i jezgre, imaju značajne strukturne značajke; one su jedinstvene po svom sastavu i po prirodi funkcija koje obavljaju.

Membrane:

Stanice su odvojene od okoline i podijeljene u odjeljke;

Reguliraju transport tvari u stanice i organele i u suprotnom smjeru;

Osigurati specifičnost međustaničnih kontakata;

Oni percipiraju signale iz vanjskog okruženja.

Usklađeno funkcioniranje membranskih sustava, uključujući receptore, enzime i transportne sustave, pomaže u održavanju stanične homeostaze i brzom odgovoru na promjene u stanju vanjskog okoliša reguliranjem metabolizma unutar stanica.

Biološke membrane sastoje se od lipida i proteina koji su međusobno povezani nekovalentan interakcije. Osnova membrane je dvostruki lipidni sloj, koji uključuje proteinske molekule (slika 4.1). Lipidni dvosloj čine dva reda amfifilan molekule, čiji su hidrofobni "repovi" skriveni unutra, a hidrofilne skupine - polarne "glave" - ​​okrenute su prema van iu kontaktu su s vodenom okolinom.

1. Membranski lipidi. Membranski lipidi sadrže i zasićene i nezasićene masne kiseline. Nezasićene masne kiseline nalaze se dvostruko češće od zasićenih masnih kiselina, što određuje fluidnost membrane i konformacijska labilnost membranskih proteina.

Membrane sadrže tri glavne vrste lipida - fosfolipide, glikolipide i kolesterol (sl. 4.2 - 4.4). Najčešće glicerofosfolipidi su derivati ​​fosfatidne kiseline.

Riža. 4.1. Poprečni presjek plazma membrane

Riža. 4.2. Glicerofosfolipidi.

Fosfatidna kiselina je diacilglicerol fosfat. R1, R2 - radikali masnih kiselina (hidrofobni "repovi"). Višestruko nezasićeni ostatak masne kiseline povezan je s drugim ugljikovim atomom glicerola. Polarna "glava" je ostatak fosforne kiseline i hidrofilna skupina serina, kolina, etanolamina ili inozitola vezana za njega

Postoje i derivati ​​lipida amino alkohol sfingozin.

Amino alkohol sfingozin nakon acilacije, tj. adicijom masne kiseline na NH 2 skupinu, pretvara se u ceramid. Ceramidi se razlikuju po ostatku masne kiseline. Različite polarne skupine mogu se povezati s OH skupinom ceramida. Ovisno o strukturi polarne "glave", ovi se derivati ​​dijele u dvije skupine - fosfolipide i glikolipide. Struktura polarne skupine sfingofosfolipida (sfingomijelina) slična je glicerofosfolipidima. Mnogi sfingomijelini sadržani su u mijelinskim ovojnicama živčanih vlakana. Glikolipidi su ugljikohidratni derivati ​​ceramida. Ovisno o strukturi ugljikohidratne komponente, razlikuju se cerebrozidi i gangliozidi.

Kolesterol nalazi se u membranama svih životinjskih stanica, daje membranama krutost i smanjuje njihovu fluidnost(fluidnost). Molekula kolesterola nalazi se u hidrofobnoj zoni membrane paralelno s hidrofobnim "repovima" fosfo- i glikolipidnih molekula. Hidroksilna skupina kolesterola, poput hidrofilnih "glava" fosfo- i glikolipida,

Riža. 4.3. Derivati ​​amino alkohola sfingozina.

Ceramid je acilirani sfingozin (R 1 - radikal masne kiseline). Fosfolipidi uključuju sfingomijeline, kod kojih se polarna skupina sastoji od ostatka fosforne kiseline i kolina, etanolamina ili serina. Hidrofilna skupina (polarna “glava”) glikolipida je ostatak ugljikohidrata. Cerebrozidi sadrže mono ili oligosaharidni ostatak linearne strukture. Sastav gangliozida uključuje razgranati oligosaharid, čija je jedna od monomernih jedinica NANK - N-acetilneuraminska kiselina

okrenut prema vodenoj fazi. Molarni omjer kolesterola i ostalih lipida u membranama je 0,3-0,9. Ova vrijednost ima najveću vrijednost za citoplazmatsku membranu.

Povećanje sadržaja kolesterola u membranama smanjuje pokretljivost lanaca masnih kiselina, što utječe na konformacijsku labilnost membranskih proteina i smanjuje mogućnost njihove lateralna difuzija. S povećanjem fluidnosti membrane, uzrokovane djelovanjem lipofilnih tvari na njih ili peroksidacijom lipida, povećava se udio kolesterola u membranama.

Riža. 4.4. Položaj fosfolipida i kolesterola u membrani.

Molekula kolesterola sastoji se od krute hidrofobne jezgre i fleksibilnog lanca ugljikovodika. Polarna "glava" je OH skupina na 3. ugljikovom atomu molekule kolesterola. Za usporedbu, slika prikazuje shematski prikaz membranskog fosfolipida. Polarna glava ovih molekula mnogo je veća i ima naboj

Sastav lipida membrana je različit; sadržaj jednog ili drugog lipida očito je određen raznolikošću funkcija koje te molekule obavljaju u membranama.

Glavne funkcije membranskih lipida su sljedeće:

Formira se lipidni dvosloj – strukturna osnova membrana;

Osigurati okruženje potrebno za funkcioniranje membranskih proteina;

Sudjeluju u regulaciji aktivnosti enzima;

Služi kao "sidro" za površinske proteine;

Sudjeluju u prijenosu hormonskih signala.

Promjene u strukturi lipidnog dvosloja mogu dovesti do poremećaja funkcije membrane.

2. Membranski proteini. Membranski proteini razlikuju se po svom položaju u membrani (slika 4.5). Membranski proteini u kontaktu s hidrofobnim područjem lipidnog dvosloja moraju biti amfifilni, tj. imaju nepolarnu domenu. Amfifilnost se postiže zahvaljujući činjenici da:

Aminokiselinski ostaci u kontaktu s lipidnim dvoslojem općenito su nepolarni;

Mnogi membranski proteini su kovalentno povezani s ostacima masnih kiselina (acilirani).

Acilni ostaci masnih kiselina vezani za protein osiguravaju njegovo “usidrenje” u membranu i mogućnost lateralne difuzije. Osim toga, membranski proteini prolaze kroz posttranslacijske modifikacije kao što su glikozilacija i fosforilacija. Glikozilacija vanjske površine integralnih proteina štiti ih od oštećenja proteazama u međustaničnom prostoru.

Riža. 4.5. Membranski proteini:

1, 2 - integralni (transmembranski) proteini; 3, 4, 5, 6 - površinski proteini. Kod integralnih proteina dio polipeptidnog lanca je uronjen u lipidni sloj. Oni dijelovi proteina koji su u interakciji s ugljikovodičnim lancima masnih kiselina sadrže pretežno nepolarne aminokiseline. Proteinske regije koje se nalaze u području polarnih "glava" obogaćene su hidrofilnim aminokiselinskim ostacima. Površinski proteini su pričvršćeni na membranu na različite načine: 3 - povezani s integralnim proteinima; 4 - pričvršćen na polarne "glave" lipidnog sloja; 5 - "usidren" u membranu pomoću kratke hidrofobne terminalne domene; 6 - "usidren" u membranu pomoću kovalentno vezanog acilnog ostatka

Vanjski i unutarnji sloj iste membrane razlikuju se po sastavu lipida i proteina. Ova značajka u strukturi membrana naziva se transmembranska asimetrija.

Membranski proteini mogu biti uključeni u:

Selektivni transport tvari u i iz stanice;

Prijenos hormonskih signala;

Formiranje "obrubljenih jama" uključenih u endocitozu i egzocitozu;

Imunološke reakcije;

Kvaliteta enzima u pretvorbi tvari;

Organizacija međustaničnih kontakata koji osiguravaju stvaranje tkiva i organa.

TEMA 4.2. TRANSPORT TVARI KROZ MEMBRANE

Jedna od glavnih funkcija membrana je regulacija prijenosa tvari u stanicu i iz nje, zadržavanje tvari potrebnih stanici i uklanjanje nepotrebnih. Prijenos iona i organskih molekula kroz membrane može se odvijati duž koncentracijskog gradijenta - pasivni transport i protiv koncentracijskog gradijenta - aktivni transport.

1. Pasivni transport može se provesti na sljedeće načine (sl. 4.6, 4.7):

Riža. 4.6. Mehanizmi prijenosa tvari kroz membrane uz koncentracijski gradijent

Pasivni prijevoz uključuje difuzija iona kroz proteinske kanale, na primjer, difuzija H+, Ca 2+, N+, K+. Funkcioniranje većine kanala regulirano je specifičnim ligandima ili promjenama transmembranskog potencijala.

Riža. 4.7. Ca 2+ kanal membrane endoplazmatskog retikuluma, reguliran inozitol 1,4,5-trifosfatom (IF 3).

IP 3 (inozitol-1,4,5-trifosfat) nastaje tijekom hidrolize membranskog lipida IF 2 (fosfatidilinozitol-4,5-bisfosfat) pod djelovanjem enzima fosfolipaze C. IP 3 se veže na specifične centre protomeri Ca 2 + kanala membrane endoplazmatskog retikuluma. Konformacija proteina se mijenja i kanal se otvara - Ca 2+ ulazi u stanični citosol duž gradijenta koncentracije

2. Aktivni transport. Primarni aktivni transport se odvija protiv koncentracijskog gradijenta uz utrošak ATP energije uz sudjelovanje transportnih ATPaza, na primjer Na+, K+-ATPaza, H+-ATPaza, Ca 2 +-ATPaza (sl. 4.8). H + -ATPaze djeluju kao protonske pumpe, uz pomoć kojih se stvara kiseli okoliš u staničnim lizosomima. Uz pomoć Ca 2+ -ATPaze citoplazmatske membrane i membrane endoplazmatskog retikuluma održava se niska koncentracija kalcija u staničnom citosolu i stvara unutarstanični depo Ca 2+ u mitohondrijima i endoplazmatskom retikulumu.

Sekundarno aktivno transport nastaje zbog koncentracijskog gradijenta jedne od transportiranih tvari (sl. 4.9), koji najčešće stvara Na+, K+-ATPaza, koja funkcionira uz potrošnju ATP-a.

Dodatak tvari veće koncentracije u aktivno središte proteina nosača mijenja njegovu konformaciju i povećava afinitet prema spoju koji prolazi u stanicu protiv koncentracijskog gradijenta. Sekundarni aktivni transport ima dvije vrste: aktivni simport I protuluka.

Riža. 4.8. Mehanizam djelovanja Ca 2 + ATPaze

Riža. 4.9. Sekundarni aktivni transport

3. Prijenos makromolekula i čestica uz sudjelovanje membrana - endocitoza i egzocitoza.

Prijenos makromolekula, poput proteina, nukleinskih kiselina, polisaharida ili čak većih čestica, iz izvanstaničnog okoliša u stanicu događa se putem endocitoza. Vezanje tvari ili visokomolekularnih kompleksa događa se u određenim područjima plazma membrane, tzv. obrubljen jamama. Endocitoza, koja se događa uz sudjelovanje receptora ugrađenih u obrubljene jamice, omogućuje stanicama da apsorbiraju specifične tvari i naziva se endocitoza ovisna o receptorima.

Makromolekule, kao što su peptidni hormoni, probavni enzimi, proteini izvanstaničnog matriksa, lipoproteinski kompleksi, izlučuju se u krv ili međustanični prostor putem egzocitoza. Ova metoda transporta omogućuje uklanjanje tvari koje se nakupljaju u sekretornim granulama iz stanice. U većini slučajeva, egzocitoza se regulira promjenom koncentracije kalcijevih iona u citoplazmi stanica.

TEMA 4.3. TRANSMEMBRANI PRIJENOS SIGNALA

Važno svojstvo membrana je sposobnost percepcije i prijenosa signala iz okoline u stanicu. Stanice percipiraju vanjske signale kada komuniciraju s receptorima koji se nalaze u membrani ciljnih stanica. Receptori, vezanjem signalne molekule, aktiviraju unutarstanične putove prijenosa informacija, što dovodi do promjena u brzini različitih metaboličkih procesa.

1. Signalna molekula, posebno u interakciji s membranskim receptorom naziva se primarni glasnik. Različiti kemijski spojevi djeluju kao primarni glasnici - hormoni, neurotransmiteri, eikozanoidi, faktori rasta ili fizički čimbenici, kao što je svjetlosni kvant. Receptori stanične membrane, aktivirani primarnim glasnicima, prenose primljenu informaciju sustavu proteina i enzima koji tvore kaskada prijenosa signala, osiguravajući pojačanje signala nekoliko stotina puta. Vrijeme odgovora stanice, koje se sastoji od aktivacije ili inaktivacije metaboličkih procesa, kontrakcije mišića i transporta tvari iz ciljnih stanica, može biti nekoliko minuta.

Membrana receptore dijele se na:

Receptori koji sadrže primarnu podjedinicu za vezanje glasnika i ionski kanal;

Receptori sposobni za ispoljavanje katalitičke aktivnosti;

Receptori koji uz pomoć G-proteina aktiviraju stvaranje sekundarnih (unutarstaničnih) glasnika koji prenose signal specifičnim proteinima i enzimima citosola (slika 4.10).

Sekundarni glasnici imaju malu molekularnu težinu, difundiraju velikom brzinom u citosolu stanice, mijenjaju aktivnost odgovarajućih proteina, a zatim se brzo cijepaju ili uklanjaju iz citosola.

Riža. 4.10. Receptori lokalizirani u membrani.

Membranski receptori mogu se podijeliti u tri skupine. Receptori: 1 - sadrže podjedinicu koja povezuje signalnu molekulu i ionski kanal, na primjer, acetilkolinski receptor na postsinaptičkoj membrani; 2 - pokazuje katalitičku aktivnost nakon vezanja signalne molekule, na primjer inzulinskog receptora; 3, 4 - prijenos signala na enzim adenilat ciklazu (AC) ili fosfolipazu C (PLC) uz sudjelovanje membranskih G-proteina, na primjer, različite vrste receptora za adrenalin, acetilkolin i druge signalne molekule

Uloga sekundarni glasnici molekule i ioni obavljaju:

CAMP (ciklički adenozin-3",5"-monofosfat);

CGMP (ciklički gvanozin-3",5"-monofosfat);

IP 3 (inozitol 1,4,5-trifosfat);

DAG (diacilglicerol);

Postoje hormoni (steroidni i tiroidni) koji, prolazeći kroz lipidni dvosloj, prodrijeti u stanicu i komunicirati s unutarstanični receptori. Fiziološki važna razlika između membranskih i intracelularnih receptora je brzina odgovora na dolazni signal. U prvom slučaju, učinak će biti brz i kratkotrajan, u drugom - spor, ali dugotrajan.

G protein spregnuti receptori

Interakcija hormona s G-protein spregnutim receptorima dovodi do aktivacije sustava prijenosa signala inozitol fosfata ili promjena u aktivnosti regulacijskog sustava adenilat ciklaze.

2. Sustav adenilat ciklaze uključuje (Sl. 4.11):

- sastavni proteini citoplazmatske membrane:

R s - receptor primarnog glasnika - aktivatora sustava adenilat ciklaze (ACS);

R ; - primarni messenger receptor - ACS inhibitor;

Enzim adenilat ciklaza (AC).

- "usidren" proteini:

Gs je GTP-vezujući protein koji se sastoji od α, βγ podjedinica, u kojima je (α, podjedinica povezana s GDP molekulom;

Riža. 4.11. Djelovanje sustava adenilat ciklaze

G ; - GTP-vezujući protein, koji se sastoji od αβγ-podjedinica, u kojima a; -podjedinica je povezana s GDP molekulom; - citosolni enzim protein kinaza A (PKA).

Slijed događaja signalizacije primarnog glasnika pomoću sustava adenilat ciklaze

Receptor ima vezna mjesta za primarnog glasnika na vanjskoj površini membrane i G protein (α,βγ-GDP) na unutarnjoj površini membrane. Interakcija aktivatora sustava adenilat ciklaze, na primjer hormona, s receptorom (Rs) dovodi do promjene u konformaciji receptora. Povećava se afinitet receptora za G. protein. Vezanje kompleksa hormon-receptor na GS-GDP smanjuje afinitet α,-podjedinice proteina G.. za GDP i povećava afinitet za GTP. U aktivnom centru α,-podjedinice, GDP je zamijenjen GTP-om. To uzrokuje promjenu u konformaciji α podjedinice i smanjenje njenog afiniteta za βγ podjedinice. Odvojena α,-GTP podjedinica kreće se bočno u lipidnom sloju membrane prema enzimu adenilat ciklaza.

Interakcija α,-GTP s regulacijskim centrom adenilat ciklaze mijenja konformaciju enzima, dovodi do njegove aktivacije i povećanja brzine stvaranja sekundarnog glasnika - cikličkog adenozin-3,5"-monofosfata (cAMP) iz ATP-a. Povećava se koncentracija cAMP u stanici. Molekule cAMP mogu se reverzibilno vezati na regulatorne podjedinice protein kinaze A (PKA), koja se sastoji od dvije regulatorne (R) i dvije katalitičke (C) podjedinice - (R 2 C 2). Kompleks R 2 C 2 nema enzimatsku aktivnost. Vezanje cAMP-a za regulacijske podjedinice uzrokuje promjenu njihove konformacije i gubitak komplementarnosti s C-podjedinicama. Katalitičke podjedinice dobivaju enzimsku aktivnost.

Aktivna protein kinaza A fosforilira specifične proteine ​​na ostacima serina i treonina uz pomoć ATP-a. Fosforilacija proteina i enzima povećava ili smanjuje njihovu aktivnost, čime se mijenja brzina metaboličkih procesa u kojima sudjeluju.

Aktivacija signalne molekule R receptora potiče funkcioniranje proteina Gj, koje se odvija po istim pravilima kao i za G protein. Ali kada α i -GTP podjedinica stupi u interakciju s adenilat ciklazom, aktivnost enzima se smanjuje.

Inaktivacija adenilat ciklaze i protein kinaze A

α,-podjedinica u kompleksu s GTP-om, u interakciji s adenilat ciklazom, počinje pokazivati ​​enzimsku (GTP-fosfataznu) aktivnost; hidrolizira GTP. Rezultirajuća GDP molekula ostaje u aktivnom središtu α-podjedinice, mijenja svoju konformaciju i smanjuje svoj afinitet za AC. Kompleks AC i α,-GDP disocira, α,-GDP je uključen u G.. protein. Odvajanje α,-GDP od adenilat ciklaze inaktivira enzim i sinteza cAMP prestaje.

Fosfodiesteraza- "usidren" enzim citoplazmatske membrane hidrolizira prethodno stvorene cAMP molekule u AMP. Smanjenje koncentracije cAMP u stanici uzrokuje cijepanje kompleksa cAMP 4 K"2 i povećava afinitet R- i C-podjedinice, te nastaje neaktivni oblik PKA.

Fosforilirani enzimi i proteini pod utjecajem fosfoproteinske fosfataze prelaze u defosforilirani oblik, mijenja se njihova konformacija, aktivnost i brzina procesa u kojima ti enzimi sudjeluju. Kao rezultat toga, sustav se vraća u prvobitno stanje i spreman je za ponovnu aktivaciju kada hormon stupi u interakciju s receptorom. Time se osigurava da sadržaj hormona u krvi odgovara intenzitetu odgovora ciljnih stanica.

3. Sudjelovanje sustava adenilat ciklaze u regulaciji ekspresije gena. Mnogi proteinski hormoni: glukagon, vazopresin, paratireoidni hormon itd., prenoseći svoj signal kroz sustav adenilat ciklaze, ne samo da mogu uzrokovati promjenu brzine reakcija fosforilirajući enzime koji su već prisutni u stanici, već i povećati ili smanjiti njihov broj. , regulirajući ekspresiju gena (slika 4.12). Aktivna protein kinaza A može ući u jezgru i fosforilirati transkripcijski faktor (CREB). Fosforna veza

Riža. 4.12. Put adenilat ciklaze vodi do ekspresije specifičnih gena

rezidua povećava afinitet transkripcijskog faktora (CREB-(P) za specifičnu sekvencu DNA regulatorne zone-CRE (cAMP-response element) i potiče ekspresiju gena za određene proteine.

Sintetizirani proteini mogu biti enzimi, čije povećanje broja povećava brzinu reakcija metaboličkih procesa, ili membranski prijenosnici koji osiguravaju ulazak ili izlazak određenih iona, vode ili drugih tvari iz stanice.

Riža. 4.13. Inozitol fosfatni sustav

Rad sustava osiguravaju proteini: kalmodulin, enzim protein kinaza C, Ca 2 + -kalmodulin-ovisne protein kinaze, Ca 2 + -regulirani kanali membrane endoplazmatskog retikuluma, Ca 2 + -ATPaze staničnih i mitohondrijskih membrana. .

Slijed događaja signalizacije primarnog glasnika putem inozitol fosfatnog sustava

Vezanje aktivatora inozitol fosfatnog sustava na receptor (R) dovodi do promjene njegove konformacije. Povećava se afinitet receptora za GF lc protein. Vezanje primarnog kompleksa messenger-receptor na Gf ​​ls-GDP smanjuje afinitet af l-podjedinice za GDP i povećava afinitet za GTP. U aktivnom središtu aphl podjedinice, GDP je zamijenjen GTP-om. To uzrokuje promjenu konformacije af ls podjedinice i smanjenje afiniteta za βγ podjedinice te dolazi do disocijacije Gf ls proteina. Odvojena podjedinica aph ls-GTP pomiče se lateralno duž membrane do enzima fosfolipaza C.

Interakcija aphls-GTP s veznim centrom fosfolipaze C mijenja konformaciju i aktivnost enzima, a povećava se brzina hidrolize fosfolipida stanične membrane - fosfatidilinozitol-4,5-bisfosfata (FIF 2) (Sl. 4.14.). ).

Riža. 4.14. Hidroliza fosfatidilinozitol 4,5-bisfosfata (PIF 2)

Tijekom reakcije nastaju dva produkta - sekundarni glasnici hormonskog signala (second messengers): diacilglicerol, koji ostaje u membrani i sudjeluje u aktivaciji enzima protein kinaze C, i inozitol-1,4,5-trifosfat. (IP 3), koji, budući da je hidrofilan spoj, odlazi u citosol. Dakle, signal koji prima stanični receptor je račvan. IP 3 se veže na specifične centre Ca 2+ kanala membrane endoplazmatskog retikuluma (E)), što dovodi do promjene konformacije proteina i otvaranja Ca 2+ kanala. Budući da je koncentracija kalcija u ER približno 3-4 reda veličine viša nego u citosolu, nakon otvaranja kanala, Ca 2+ ulazi u citosol duž koncentracijskog gradijenta. U nedostatku IP 3 u citosolu, kanal je zatvoren.

Citosol svih stanica sadrži mali protein, kalmodulin, koji ima četiri Ca 2+ vezna mjesta. S povećanjem koncentracije

kalcija, aktivno se veže za kalmodulin, tvoreći kompleks 4Ca 2+ -kalmodulin. Ovaj kompleks stupa u interakciju s Ca 2+ -kalmodulin-ovisnim protein kinazama i drugim enzimima te povećava njihovu aktivnost. Aktivirana protein kinaza ovisna o Ca 2+-kalmodulinu fosforilira određene proteine ​​i enzime, što dovodi do promjena u njihovoj aktivnosti i brzini metaboličkih procesa u kojima sudjeluju.

Povećanje koncentracije Ca 2+ u staničnom citosolu povećava brzinu interakcije Ca 2+ s neaktivnim citosolnim enzimom. protein kinaza C (PKC). Vezanje PKC na ione kalcija stimulira kretanje proteina do plazma membrane i omogućuje enzimu interakciju s negativno nabijenim "glavama" molekula fosfatidilserina (PS) u membrani. Diacilglicerol, zauzimajući određena mjesta u protein kinazi C, dodatno povećava svoj afinitet za kalcijeve ione. Na unutarnjoj strani membrane stvara se aktivni oblik PKS (PKS? Ca 2 + ? PS? DAG) koji fosforilira specifične enzime.

Aktivacija IF sustava ne traje dugo, a nakon što stanica odgovori na podražaj dolazi do inaktivacije fosfolipaze C, protein kinaze C i Ca 2 + kalmodulinu ovisnih enzima. af ls -Podjedinica u kompleksu s GTP i fosfolipazom C pokazuje enzimsku (GTP-fosfataznu) aktivnost, hidrolizira GTP. Apl-podjedinica vezana za GDP gubi svoj afinitet za fosfolipazu C i vraća se u prvobitno neaktivno stanje, tj. uključen je u αβγ-GDP kompleks (Gf lc-protein).

Odvajanje apls-GDP od fosfolipaze C inaktivira enzim i hidroliza PIF 2 prestaje. Povećanje koncentracije Ca 2+ u citosolu aktivira rad Ca 2+ -ATPaza endoplazmatskog retikuluma, citoplazmatske membrane, koje “ispumpavaju” Ca 2+ iz citosola stanice. U tom procesu sudjeluju i nosači Na+/Ca 2+ i H+/Ca 2+ koji funkcioniraju na principu aktivnog antiporta. Smanjenje koncentracije Ca 2+ dovodi do disocijacije i inaktivacije enzima ovisnih o Ca 2+ -kalmodulinu, kao i do gubitka afiniteta protein kinaze C za membranske lipide i smanjenja njezine aktivnosti.

IP 3 i DAG, nastali kao rezultat aktivacije sustava, mogu ponovno djelovati jedan s drugim i pretvoriti se u fosfatidilinozitol 4,5-bisfosfat.

Fosforilirani enzimi i proteini pod djelovanjem fosfoprotein fosfataze prelaze u defosforilirani oblik, mijenja se njihova konformacija i aktivnost.

5. Katalitički receptori. Katalitički receptori su enzimi. Aktivatori ovih enzima mogu biti hormoni, faktori rasta i citokini. U svom aktivnom obliku, enzimski receptori fosforiliraju specifične proteine ​​na -OH skupinama tirozina, zbog čega se nazivaju tirozin protein kinaze (slika 4.15). Uz sudjelovanje posebnih mehanizama, signal koji prima katalitički receptor može se prenijeti u jezgru, gdje stimulira ili potiskuje ekspresiju određenih gena.

Riža. 4.15. Aktivacija inzulinskog receptora.

Fosfoprotein fosfataza defosforilira specifične fosfoproteine.

Fosfodiesteraza pretvara cAMP u AMP i cGMP u GMP.

GLUT 4 - transporteri glukoze u tkivima ovisnim o inzulinu.

Tirozin protein fosfataza defosforilira β podjedinice receptora

inzulin

Primjer katalitičkog receptora je inzulinski receptor koji se sastoji od dvije a- i dvije beta-podjedinice. α-podjedinice nalaze se na vanjskoj površini stanične membrane, β-podjedinice prodiru u dvosloj membrane. Vezno mjesto za inzulin čine N-terminalne domene α podjedinica. Katalitički centar receptora nalazi se na unutarstaničnim domenama β-podjedinica. Citosolni dio receptora ima nekoliko tirozinskih ostataka koji se mogu fosforilirati i defosforilirati.

Vezanje inzulina za vezni centar koji čine α-podjedinice uzrokuje kooperativne konformacijske promjene u receptoru. β-podjedinice pokazuju aktivnost tirozin kinaze i kataliziraju transautofosforilaciju (prva β-podjedinica fosforilira drugu β-podjedinicu, i obrnuto) na nekoliko tirozinskih ostataka. Fosforilacija dovodi do promjena u naboju, konformaciji i specifičnosti supstrata enzima (Tyr-PK). Tirozin-PK fosforilira određene stanične proteine, koji se nazivaju supstrati inzulinskih receptora. S druge strane, ti su proteini uključeni u aktivaciju kaskade reakcija fosforilacije:

fosfoproteinske fosfataze(PPF), koji defosforilira specifične fosfoproteine;

fosfodiesteraza, koji pretvara cAMP u AMP i cGMP u GMP;

GLUT 4- transporteri glukoze u tkivima ovisnim o inzulinu, stoga se povećava dotok glukoze u mišićne stanice i masno tkivo;

tirozin protein fosfataza, koji defosforilira β-podjedinice inzulinskog receptora;

nuklearni regulatorni proteini, faktori transkripcije, povećanje ili smanjenje ekspresije gena određenih enzima.

Implementacija učinka čimbenici rasta može se provesti pomoću katalitičkih receptora, koji se sastoje od jednog polipeptidnog lanca, ali nakon vezanja primarnog glasnika formiraju dimere. Svi receptori ovog tipa imaju izvanstaničnu glikoziliranu domenu, transmembransku (a-heliks) i citoplazmatsku domenu, sposobnu ispoljavati aktivnost protein kinaze kada se aktiviraju.

Dimerizacija potiče aktivaciju njihovih katalitičkih intracelularnih domena, koje provode transautofosforilaciju na aminokiselinskim ostacima serina, treonina ili tirozina. Pričvršćivanje fosfornih ostataka dovodi do stvaranja veznih centara za specifične citosolne proteine ​​na receptoru i aktivacije kaskade prijenosa signala protein kinaze (slika 4.16).

Slijed događaja prijenosa signala primarnih glasnika (faktora rasta) uz sudjelovanje Ras i Raf proteina.

Vezanje receptora (R) za faktor rasta (GF) dovodi do njegove dimerizacije i transautofosforilacije. Fosforilirani receptor stječe afinitet za Grb2 protein. Nastali kompleks FR*R*Grb2 stupa u interakciju s citosolnim proteinom SOS. Promjena SOS konformacije

osigurava njegovu interakciju s usidrenim membranskim proteinom Ras-GDP. Stvaranje kompleksa FR?R?Ggb2?SOS?Ras-GDP smanjuje afinitet Ras proteina za GDP i povećava afinitet za GTP.

Zamjena GDP-a s GTP-om mijenja konformaciju Ras proteina, koji se odvaja od kompleksa i stupa u interakciju s Raf proteinom u području blizu membrane. Kompleks Ras-GTPyRaf pokazuje aktivnost protein kinaze i fosforilira enzim MEK kinazu. Aktivirana MEK kinaza, zauzvrat, fosforilira MAP kinazu na treoninu i tirozinu.

sl.4.16. kaskada MAP kinaze.

Receptori ovog tipa nalaze se u epidermalnom faktoru rasta (EGF), živčanom faktoru rasta (NGF) i drugim čimbenicima rasta.

Grb2 je protein koji stupa u interakciju s receptorom faktora rasta (vežući protein za receptor rasta); SOS (GEF) - faktor izmjene GDP-GTP (faktor izmjene guanin nukleotida); Ras - G protein (gvanidin trifosfataza); Raf kinaza – u aktivnom obliku – fosforilira MEK kinazu; MEK kinaza - MAP kinaza kinaza; MAP kinaza - mitogenom aktivirana protein kinaza

Dodavanje skupine -PO 3 2- radikalima aminokiselina MAP kinaze mijenja njezin naboj, konformaciju i aktivnost. Enzim fosforilira specifične proteine ​​membrana, citosola i jezgre na serin i treonin.

Promjene u aktivnosti ovih proteina utječu na brzinu metaboličkih procesa, funkcioniranje membranskih translokaza i mitotičku aktivnost ciljnih stanica.

Receptori sa aktivnost gvanilat ciklaze također pripadaju katalitičkim receptorima. Gvanilat ciklaza katalizira stvaranje cGMP-a iz GTP-a, koji je jedan od važnih glasnika (medijatora) unutarstaničnog prijenosa signala (slika 4.17).

Riža. 4.17. Regulacija aktivnosti membranske gvanilat ciklaze.

Membranski vezana gvanilat ciklaza (GC) je transmembranski glikoprotein. Središte vezanja signalne molekule nalazi se na izvanstaničnoj domeni; unutarstanična domena gvanilat ciklaze pokazuje katalitičku aktivnost kao rezultat aktivacije

Vezanje primarnog glasnika na receptor aktivira gvanilat ciklazu, koja katalizira pretvorbu GTP-a u ciklički gvanozin-3,5"-monofosfat (cGMP), sekundarnog glasnika. Povećava se koncentracija cGMP-a u stanici. Molekule cGMP mogu se reverzibilno vezati za regulatorne centre protein kinaze G (PKG5), koja se sastoji od dvije podjedinice. Četiri molekule cGMP-a mijenjaju konformaciju i aktivnost enzima. Aktivna protein kinaza G katalizira fosforilaciju određenih proteina i enzima u staničnom citosolu. Jedan od primarnih glasnika protein kinaze G je atrijski natriuretski faktor (ANF), koji regulira homeostazu tekućine u tijelu.

6. Prijenos signala pomoću unutarstaničnih receptora. Hormoni koji su kemijski hidrofobni (steroidni hormoni i tiroksin) mogu difundirati kroz membrane, pa se njihovi receptori nalaze u citosolu ili jezgri stanice.

Citosolni receptori povezani su s proteinom šaperonom koji sprječava preranu aktivaciju receptora. Nuklearni i citosolni receptori steroidnih hormona i hormona štitnjače sadrže DNA-veznu domenu, koja osigurava interakciju kompleksa hormon-receptor s regulatornim regijama DNA u jezgri i promjene u brzini transkripcije.

Slijed događaja koji dovodi do promjena u brzini transkripcije

Hormon prolazi kroz lipidni dvosloj stanične membrane. U citosolu ili jezgri, hormon stupa u interakciju s receptorom. Kompleks hormon-receptor prelazi u jezgru i pričvršćuje se na regulatorni slijed nukleotida DNA - pojačivač(Sl. 4.18) ili Prigušivač. Pristupačnost promotora RNA polimerazi povećava se u interakciji s pojačivačem ili smanjuje u interakciji s prigušivačem. Sukladno tome, brzina transkripcije pojedinih strukturnih gena se povećava ili smanjuje. Zrele mRNA izlaze iz jezgre. Brzina translacije određenih proteina se povećava ili smanjuje. Mijenja se količina bjelančevina koje utječu na metabolizam i funkcionalno stanje stanice.

U svakoj stanici postoje receptori uključeni u različite sustave prijenosa signala koji sve vanjske signale pretvaraju u unutarstanične. Broj receptora za određeni primarni glasnik može varirati od 500 do preko 100 000 po stanici. Nalaze se na membrani udaljene jedna od druge ili su koncentrirane u određenim njezinim područjima.

Riža. 4.18. Prijenos signala do unutarstaničnih receptora

b) iz tablice odaberite lipide koji sudjeluju u:

1. Aktivacija protein kinaze C

2. Reakcije stvaranja DAG pod utjecajem fosfolipaze C

3. Stvaranje mijelinskih ovojnica živčanih vlakana

c) napišite reakciju hidrolize lipida koji ste odabrali u stavku 2.;

d) označiti koji od produkata hidrolize sudjeluje u regulaciji Ca 2 + kanala endoplazmatskog retikuluma.

2. Izaberite ispravne odgovore.

Na konformacijsku labilnost proteina nosača može utjecati:

B. Promjena električnog potencijala preko membrane

B. Vezanje specifičnih molekula D. Sastav masnih kiselina dvoslojnih lipida E. Količina prenesene tvari

3. Podudaranje:

A. Kalcijevi kanal ER B. Ca 2 +-ATPaza

D. Ka+-ovisni Ca 2 + transporter D. N+, K+-ATPaza

1. Transportira Na+ duž koncentracijskog gradijenta

2. Funkcionira mehanizmom olakšane difuzije

3. Transportira Na+ protiv koncentracijskog gradijenta

4. Pomaknite stol. 4.2. u svoju bilježnicu i ispuni je.

Tablica 4.2. Adenilat ciklaza i inozitol fosfatni sustavi

Struktura i faze rada	Sustav adenilat ciklaze	Inozitol fosfatni sustav
Primjer primarnog glasnika sustava
Integralni protein stanične membrane koji komplementarno djeluje s primarnim glasnikom
Protein koji aktivira enzimski signalni sustav
Enzimski sustav koji tvori drugi glasnik(e)
Sekundarni sustavi glasnika
Citosolni enzim(i) sustava u interakciji(ima) s drugim glasnikom
Mehanizam regulacije (u ovom sustavu) aktivnosti enzima u metaboličkim putovima
Mehanizmi za smanjenje koncentracije sekundarnih glasnika u ciljnoj stanici
Razlog smanjenja aktivnosti membranskog enzima signalnog sustava

ZADACI ZA SAMOKONTROLU

1. Podudaranje:

A. Pasivni simport B. Pasivni antiport

B. Endocitoza D. Egzocitoza

D. Primarni aktivni transport

1. Prijenos tvari u stanicu događa se zajedno s dijelom plazma membrane

2. Istovremeno dvije različite tvari prolaze u stanicu po koncentracijskom gradijentu

3. Prijenos tvari odvija se protiv koncentracijskog gradijenta

2. Izaberi točan odgovor.

ag-G proteinska podjedinica vezana za GTP aktivira:

A. Receptor

B. Protein kinaza A

B. Fosfodiesteraza G. Adenilat ciklaza D. Protein kinaza C

3. Podudaranje.

Funkcija:

A. Regulira aktivnost katalitičkog receptora B. Aktivira fosfolipazu C

B. Pretvara protein kinazu A u aktivni oblik

D. Povećava koncentraciju Ca 2+ u citosolu stanice D. Aktivira protein kinazu C

Sekundarni glasnik:

4. Podudaranje.

Operacija:

A. Sposobnost lateralne difuzije u dvosloju membrane

B. U kompleksu s primarnim glasnikom, pridružuje se pojačivaču

B. Pokazuje enzimsku aktivnost u interakciji s primarnim glasnikom

D. Može komunicirati s G proteinom

D. Tijekom prijenosa signala dolazi u interakciju s fosfolipazom C Receptor:

1. Inzulin

2. Adrenalin

3. Steroidni hormon

5. Izvršite "lanac" zadatak:

A) peptidni hormoni djeluju s receptorima:

A. U citosolu stanice

B. Integralni proteini ciljnih staničnih membrana

B. U staničnoj jezgri

D. Kovalentno vezan na FIF 2

b) interakcija takvog receptora s hormonom uzrokuje povećanje koncentracije u stanici:

A. Hormon

B. Intermedijarni metaboliti

B. Sekundarni glasnici D. Nuklearni proteini

V) ove molekule mogu biti:

A. OZNAKA B. GTP

B. FIF 2 G. cAMP

G) aktiviraju:

A. Adenilat ciklaza

B. Ca 2+ -ovisan kalmodulin

B. Protein kinaza A D. Fosfolipaza C

e) ovaj enzim mijenja brzinu metaboličkih procesa u stanici tako što:

A. Povećanje koncentracije Ca 2+ u citosolu B. Fosforilacija regulacijskih enzima

B. Aktivacija protein fosfataze

D. Promjene u ekspresiji gena regulatornih proteina

6. Izvršite “lanac” zadatak:

A) vezanje faktora rasta (GF) na receptor (R) dovodi do:

A. Promjene u lokalizaciji FR-R kompleksa

B. Dimerizacija i transautofosforilacija receptora

B. Promjena u konformaciji receptora i vezivanje za Gs protein D. Premještanje FR-R kompleksa

b) Takve promjene u strukturi receptora povećavaju njegov afinitet za protein površinske membrane:

B. Raf G. Grb2

V) ova interakcija povećava vjerojatnost da se citosolni protein pridruži kompleksu:

A. Calmodulina B. Ras

B. PKS D. SOS

G) što povećava komplementarnost kompleksa s "usidrenim" proteinom:

d) promjena u konformaciji "usidrenog" proteina smanjuje njegov afinitet za:

A. cAMP B. GTP

B. BDP D. ATP

e) ova tvar se zamjenjuje sa:

A. HDF B. AMP

B. cGMP D. GTP

i) dodavanje nukleotida potiče interakciju "usidrenog" proteina s:

A. PKA B. Kalmodulin

h) ovaj protein je dio kompleksa koji fosforilira:

A. MEK kinaza B. Protein kinaza C

B. Protein kinaza A D. MAP kinaza

I) ovaj enzim zauzvrat aktivira:

A. MEK kinaza B. Protein kinaza G

B. Raf protein D. MAP kinaza

j) fosforilacija proteina povećava njegov afinitet za:

A. SOS i Raf proteini B. Nuklearni regulatorni proteini B. Kalmodulin D. Nuklearni receptori

k) aktivacija ovih proteina dovodi do:

A. Defosforilacija GTP u aktivnom centru Ras proteina B. Smanjenje afiniteta receptora za faktor rasta

B. Povećanje brzine biosinteze matriksa D. Disocijacija SOS-Grb2 kompleksa

m) kao rezultat ovoga:

A. SOS protein disocira od receptora.

B. Dolazi do disocijacije protomera receptora (R)

B. Ras protein se odvaja od Raf proteina

D. Povećava se proliferativna aktivnost ciljne stanice.

STANDARDI ODGOVORA NA “ZADATKE SAMOKONTROLE”

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

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

4. 1-B, 2-G, 3-B

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

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

OSNOVNI POJMOVI I POJMOVI

1. Građa i funkcije membrana

2. Prijenos tvari kroz membrane

3. Značajke strukture membranskih proteina

4. Transmembranski sustavi prijenosa signala (adenilat ciklaza, inozitol fosfat, gvanilat ciklaza, katalitički i intracelularni receptori)

5. Primarni glasnici

6. Sekundarni glasnici (posrednici)

ZADACI ZA RAD U RAZREDU

1. Provjerite sl. 4.19 i ispunite sljedeće zadatke:

a) navesti vrstu prijevoza;

b) utvrdite redoslijed događaja:

A. Cl - napušta stanicu duž koncentracijskog gradijenta

B. Protein kinaza A fosforilira R podjedinicu kanala

B. Mijenja se konformacija R podjedinice

D. Dolazi do kooperativnih konformacijskih promjena membranskog proteina

D. Aktivira se sustav adenilat ciklaze

Riža. 4.19. Funkcioniranje C1 kanala u intestinalnom endotelu.

R je regulatorni protein koji se pretvara u fosforilirani oblik pomoću protein kinaze A (PKA)

c) Ispunjavanjem tablice usporedite funkcioniranje Ca 2+ kanala membrane endoplazmatskog retikuluma i Cl - kanala intestinalne endotelne stanice. 4.3.

Tablica 4.3. Metode regulacije funkcioniranja kanala

Riješiti probleme

1. Kontrakcija srčanog mišića aktivira Ca 2+, čiji se sadržaj u citosolu stanice povećava zbog djelovanja cAMP-ovisnih transportera citoplazmatske membrane. S druge strane, koncentraciju cAMP u stanicama reguliraju dvije signalne molekule - adrenalin i acetilkolin. Štoviše, poznato je da adrenalin, u interakciji s β 2 -adrenergičkim receptorima, povećava koncentraciju cAMP u stanicama miokarda i stimulira minutni volumen, a acetilkolin, u interakciji s M 2 -kolinergičkim receptorima, smanjuje razinu cAMP i kontraktilnost miokarda. Objasnite zašto dva primarna glasnika koji koriste isti sustav prijenosa signala proizvode različite stanične odgovore. Za ovo:

a) zamislite shemu prijenosa signala za adrenalin i acetilkolin;

b) naznačiti razliku u kaskadama prijenosa signala ovih glasnika.

2. Acetilkolin, u interakciji s M 3 -kolinergičkim receptorima žlijezda slinovnica, stimulira otpuštanje Ca 2+ iz ER. Povećanje koncentracije Ca 2+ u citosolu osigurava egzocitozu sekretornih granula i otpuštanje elektrolita i malih količina proteina u salivarni kanal. Objasnite kako je reguliran rad ER Ca 2+ kanala. Za ovo:

a) navedite sekundarnog glasnika koji osigurava otvaranje Ca 2+ kanala u ER;

b) napišite reakciju nastanka sekundarnog glasnika;

c) prikazati dijagram transmembranskog prijenosa signala acetilkolina, pri čijoj aktivaciji nastaje regulacijski ligand Ca 2+ kanal

3. Istraživači inzulinskog receptora identificirali su značajnu promjenu u genu za protein koji je jedan od supstrata inzulinskog receptora. Kako će poremećaj u strukturi ovog proteina utjecati na funkcioniranje sustava prijenosa signala inzulina? Da odgovorim na pitanje:

a) navedite dijagram transmembranskog prijenosa signala inzulina;

b) imenovati proteine ​​i enzime koje inzulin aktivira u ciljnim stanicama, naznačiti njihovu funkciju.

4. Ras protein je usidren protein citoplazmatske membrane. Funkciju "sidra" obavlja farnezilni ostatak s 15 ugljika H 3 C-(CH 3) C=CH-CH 2 -[CH 2 -(CH 3) C=CH-CH 2 ] 2 -, koji je vezan na protein pomoću enzima farneziltransferaze tijekom posttranslacijske modifikacije. Inhibitori ovog enzima trenutno su podvrgnuti kliničkim ispitivanjima.

Zašto upotreba ovih lijekova dovodi do poremećaja transdukcije signala faktora rasta? Odgovoriti:

a) prikazati shemu prijenosa signala koji uključuje Ras proteine;

b) objasniti funkciju Ras proteina i posljedice poremećaja njihove acilacije;

c) pogodite za koje su bolesti ti lijekovi razvijeni za liječenje.

5. Steroidni hormon kalcitriol aktivira apsorpciju kalcija iz hrane, povećavajući broj Ca 2+ transportnih proteina u crijevnim stanicama. Objasnite mehanizam djelovanja kalcitriola. Za ovo:

a) dati opću shemu prijenosa signala steroidnog hormona i opisati njegovo funkcioniranje;

b) navedite proces koji aktivira hormon u jezgri ciljne stanice;

c) naznačiti u kojoj će matričnoj biosintezi sudjelovati molekule sintetizirane u jezgri i gdje se to događa.

I. Prodor steroida (C) u stanicu

II. Formiranje SR kompleksa

Svi P steroidni hormoni su globularni proteini približno iste veličine koji vežu hormone s vrlo visokim afinitetom

III. Transformacija CP u oblik sposoban za vezanje na nuklearne akceptore [CP]

Svaka stanica sadrži sve genetske informacije. Međutim, sa specijalizacijom stanica, većina DNA je lišena sposobnosti da služi kao predložak za sintezu mRNA. To se postiže savijanjem oko histonskih proteina, što dovodi do inhibicije transkripcije. U tom smislu, genetski materijal stanice može se podijeliti u 3 vrste DNK:

1.transkripcijski neaktivan

2.stalno izražen

3.induciran hormonima ili drugim signalnim molekulama.

IV. Vezanje [CP] na akceptor kromatina

Treba napomenuti da ova faza akcije C nije u potpunosti proučena i ima niz kontroverznih pitanja. Vjeruje se da [CP] stupa u interakciju sa specifičnim regijama DNA na način koji omogućuje RNA polimerazi da uspostavi kontakt sa specifičnim domenama DNA.

Zanimljiv eksperiment pokazao je da se poluvrijeme raspada mRNA povećava kada je stimulira hormon. To dovodi do mnogih proturječja: postaje nejasno da povećanje količine mRNA ukazuje na to da [CP] povećava brzinu transkripcije ili produljuje poluživot mRNA; u isto vrijeme, povećanje poluživota mRNA objašnjava se prisutnošću velikog broja ribosoma u hormonski stimuliranoj stanici, koji stabiliziraju mRNA ili drugim učinkom [CP] koji nam je trenutno nepoznat.

V. Selektivna inicijacija transkripcije specifičnih mRNA; koordinirana sinteza tRNA i rRNA

Može se pretpostaviti da je glavni učinak [CP] labavljenje kondenziranog kromatina, što dovodi do otvaranja pristupa molekulama RNA polimeraze. Povećanje količine mRNA dovodi do povećanja sinteze tRNA i rRNA.

VI. Obrada primarnih RNA

VII. Transport mRNA u citoplazmu

VIII. Sinteza proteina

IX. Posttranslacijska modifikacija proteina

No, kako istraživanja pokazuju, to je glavni, ali ne i jedini mogući mehanizam djelovanja hormona. Na primjer, androgeni i estrogeni uzrokuju povećanje cAMP u nekim stanicama, što sugerira da postoje i membranski receptori za steroidne hormone. To pokazuje da steroidni hormoni djeluju na neke osjetljive stanice poput hormona topivih u vodi.

Sekundarni posrednici

Peptidni hormoni, amini i neurotransmiteri, za razliku od steroida, hidrofilni su spojevi i ne mogu lako prodrijeti kroz plazma membranu stanice. Stoga su u interakciji s membranskim receptorima koji se nalaze na površini stanice. Interakcija hormona i receptora pokreće visoko koordiniranu biološku reakciju koja može uključivati ​​mnoge stanične komponente, od kojih su neke smještene na znatnoj udaljenosti od plazma membrane.

cAMP je prvi spoj koji je Sutherland, koji ga je otkrio, nazvao "drugim glasnikom", jer je smatrao da je "prvi glasnik" sam hormon, koji uzrokuje unutarstaničnu sintezu "drugog glasnika", koji posreduje biološki učinak prvi.

Danas se mogu navesti najmanje 3 tipa sekundarnih glasnika: 1) ciklički nukleotidi (cAMP i cGMP); 2) Ca ioni i 3) metaboliti fosfatidilinozitola.

Uz pomoć takvih sustava, mali broj molekula hormona, vežući se za receptore, uzrokuje proizvodnju puno većeg broja molekula sekundarnih glasnika, a potonji, pak, utječu na aktivnost još većeg broja molekula proteina. Dakle, postoji progresivno pojačanje signala koje se inicijalno događa kada se hormon veže za receptor.

TsAMP

Pojednostavljeno, djelovanje hormona kroz cAMP može se prikazati na sljedeći način:

1. hormon + stereospecifični receptor

2. aktivacija adenilat ciklaze

3. stvaranje cAMP-a

4. osiguravanje cAMP koordinirane reakcije

Hormon Vanjska okolina

Receptorska membrana

5'-cAMP 3',5'-cAMP ATP

Neaktivna protein kinaza

Fosfodiesteraza

Aktivna protein kinaza

Defosfoprotein Fosfoprotein

Fosfoprotein fosfataza

Biološki učinak

Sl. 1

1. Treba napomenuti da su receptori također dinamičke strukture. To znači da se njihov broj može smanjiti ili povećati. Na primjer, kod osoba s povećanom tjelesnom težinom smanjuje se broj inzulinskih receptora. Eksperimenti su pokazali da se pri normalizaciji njihove mase primjećuje povećanje broja receptora na normalnu razinu. Drugim riječima, kada se koncentracija inzulina povećava ili smanjuje, dolazi do recipročnih promjena u koncentraciji receptora. Vjeruje se da ovaj fenomen može zaštititi stanicu od prejake stimulacije kada je razina hormona neprimjereno visoka.

2. Aktivacija adenilat ciklaze (A) također je reguliran proces. Ranije se vjerovalo da hormon (G) kada se veže za receptor (P) mijenja svoju konformaciju, što dovodi do aktivacije A. Međutim, pokazalo se da je A alosterički enzim kojeg aktivira GTP. GTP prenosi poseban protein (pretvornik) G. U tom smislu usvojen je model koji opisuje ne samo aktivaciju A, već i završetak ovog procesa

a) G + P + G·GDF ® G·R·G + GDF

b) G P G + GTP ® G + P + G GTP

c) G GTP + A ® cAMP + G BDP

Dakle, signal koji "isključuje" sustav je hidroliza GTP-a. Da bi se nastavio ciklus, HDF se mora odvojiti od G, što se događa kada se hormon veže za P.

Neki čimbenici imaju inhibicijski učinak na A i uzrokuju smanjenje koncentracije cAMP. Primjeri agonista koji stimuliraju ciklazu uključuju glukagon, ADH, LH, FSH, TSH i ACTH. Čimbenici koji inhibiraju ciklazu uključuju opioide, somatostatin, angiotenzin II i acetilkolin. Adrenalin može i stimulirati (putem b-receptora) i inhibirati (putem a-receptora) ovaj enzim. Postavlja se pitanje kako se provodi dvosmjerna regulacija A. Pokazalo se da inhibicijski sustav uključuje trodimenzionalni protein koji je izuzetno sličan gore navedenom G-proteinu. Gi efekt se može opisati na sljedeći način:

a) G + P + Gi·GDF ® G·R·Gi + GDF

b) G P Gi + GTP ® G + P + Gi GTP

c) Gi·GTP + A ® ¯cAMP + Gi·GDP

Nakon fosforilacije enzimskih proteina tijekom gore opisanih reakcija (vidi sliku 1), njihova se konformacija mijenja. Posljedično se mijenja i konformacija njihovog aktivnog centra, što dovodi do njihove aktivacije ili inhibicije. Ispada da se, zahvaljujući drugom glasniku cAMP, djelovanje enzima specifičnih za njega aktivira ili inhibira u stanici, što uzrokuje određeni biološki učinak karakterističan za ovu stanicu. U tom smislu, unatoč velikom broju enzima koji djeluju preko sekundarnog glasnika cAMP, u stanici se javlja određeni, specifičan odgovor.