Hydrofilné hormóny, ich štruktúra a biologické funkcie. Vápnik ako druhý posol Sekundárni poslovia hormónov

Pri prenose signálov v bunke sú primárnymi poslami chemické zlúčeniny alebo fyzikálne faktory (kvantá svetla), ktoré môžu aktivovať mechanizmus prenosu signálu v bunke. Vo vzťahu k prijímacej bunke sú primárni poslovia extracelulárne signály. Stojí za zmienku, že molekuly, ktoré sú hojne prítomné vo vnútri bunky, ale bežne sa nachádzajú vo veľmi nízkych koncentráciách v medzibunkovom priestore (napríklad ATP ligglutamát), môžu tiež pôsobiť ako extracelulárne stimuly. Primárnych sprostredkovateľov možno v závislosti od ich funkcií rozdeliť do niekoľkých skupín:

• cytokíny

  neurotransmitery

  rastové faktory

  chemokíny

Receptory – špeciálne proteíny, ktoré zabezpečujú, že bunka dostane signál od primárnych poslov. Pre tieto proteíny sú primárnymi poslami ligandy.

Na zabezpečenie funkcie receptora musia proteínové molekuly spĺňať niekoľko požiadaviek:

majú vysokú selektivitu pre ligand;

Kinetika väzby ligandu by mala byť opísaná saturačnou krivkou zodpovedajúcou stavu plného obsadenia všetkých receptorových molekúl, ktorých počet je na membráne obmedzený;

Receptory musia mať tkanivovú špecifickosť, ktorá odráža prítomnosť alebo neprítomnosť týchto funkcií v bunkách cieľového orgánu;

Väzba ligandu a jej bunkový (fyziologický) účinok musí byť reverzibilný a parametre afinity musia zodpovedať fyziologickým koncentráciám ligandu.

Bunkové receptory sú rozdelené do nasledujúcich tried:

membrána

• receptorové tyrozínkinázy

  receptory spojené s G proteínom

  iónové kanály

cytoplazmatické

Membránové receptory rozpoznávajú veľké (napríklad inzulín) alebo hydrofilné (napríklad adrenalín) signálne molekuly, ktoré nemôžu nezávisle preniknúť do bunky. Malé hydrofóbne signálne molekuly (napríklad trijódtyronín, steroidné hormóny, CO, NO) sú schopné preniknúť do bunky vďaka difúzii. Receptory pre takéto hormóny sú zvyčajne rozpustné cytoplazmatické alebo jadrové proteíny. Po naviazaní ligandu na receptor sa informácia o tejto udalosti prenáša ďalej po reťazci a vedie k vytvoreniu primárnej a sekundárnej bunkovej odpovede.

Mechanizmy aktivácie receptorov. Ak vonkajšia signálna molekula pôsobí na receptory bunkovej membrány a aktivuje ich, tieto prenesú prijatú informáciu do systému proteínových komponentov membrány, ktorý sa nazýva signálna transdukčná kaskáda. Membránové proteíny signálnej transdukčnej kaskády sa delia na:

s receptorom asociované transduktorové proteíny

zosilňovacie enzýmy spojené s transduktorovými proteínmi (aktivujú druhých intracelulárnych poslov, ktoré prenášajú informácie vo vnútri bunky).

Takto fungujú receptory spojené s G proteínom. Ostatné receptory (iónové kanály, receptory s proteínkinázovou aktivitou) samotné slúžia ako multiplikátory.

4.3.2. Sekundárni sprostredkovatelia

Ide o nízkomolekulárne látky, ktoré vznikajú alebo sa uvoľňujú v dôsledku enzymatickej aktivity jednej zo zložiek signálneho transdukčného reťazca a prispievajú k jeho ďalšiemu prenosu a amplifikácii. Sekundárne poslovia sa vyznačujú nasledujúcimi vlastnosťami: majú malú molekulovú hmotnosť a difundujú vysokou rýchlosťou v cytoplazme; rýchlo sa štiepia a sú rýchlo odstránené z cytoplazmy. Medzi sekundárnych sprostredkovateľov patria:

vápenaté ióny (Ca2+);

cyklický adenozínmonofosfát (cAMP) a cyklický guanozínmonofosfát (cGMP)

inozitol trifosfát

lipofilné molekuly (napr. diacylglycerol);

oxid dusnatý (NO) (táto molekula pôsobí aj ako primárny posol, ktorý preniká do bunky zvonku).

Niekedy sa v bunke tvoria aj terciárni poslovia. Zvyčajne teda Ca2+ ióny pôsobia ako sekundárny posol, ale pri prenose signálu pomocou inozitoltrifosfátu (sekundárny posol) slúžia Ca2+ ióny uvoľnené z EPR s jeho účasťou ako terciárny poslov.

Mechanizmus prenosu signálu predpokladá približne nasledujúcu schému:

Interakcia vonkajšieho činidla (stimulu) s bunkovým receptorom,

Aktivácia efektorovej molekuly umiestnenej v membráne a zodpovednej za generovanie druhých poslov,

vzdelávanie stredoškolských sprostredkovateľov,

Aktivácia cieľových proteínov mediátormi, čo spôsobuje tvorbu ďalších mediátorov,

Zmiznutie sprostredkovateľa.

Prenos bunkového signálu (bunková signalizácia) je súčasťou komplexného komunikačného systému, ktorý riadi základné bunkové procesy a koordinuje činnosť bunky. Schopnosť buniek správne reagovať na zmeny v ich prostredí (mikroprostredí) je základom pre vývoj, opravu tkaniva, imunitu a systém udržiavania homeostázy ako celku. Chyby v systémoch spracovania bunkových informácií môžu viesť k rakovine, autoimunitným ochoreniam a cukrovke. Pochopenie mechanizmov prenosu signálu v bunkách môže viesť k vývoju liečby chorôb a dokonca k vytvoreniu umelých tkanív.

Tradične sa biologický výskum zameriaval na štúdium jednotlivých častí systému prenosu signálu. Znalosť komponentov signalizačných systémov pomáha pochopiť celkovú štruktúru bunkových signalizačných systémov a ako môžu zmeny v nich ovplyvniť prenos a únik informácií. Systémy prenosu signálu v bunke sú komplexne organizované komplexy a majú také vlastnosti, ako je ultracitlivosť a bistabilita (schopnosť byť v jednom z dvoch existujúcich stavov). Analýza systémov prenosu bunkového signálu zahŕňa kombináciu experimentálnych a teoretických štúdií, ktoré zahŕňajú vývoj a analýzu modelov a simulátorov.

Zhrnutie. Táto kapitola skúma základné princípy a problémy molekulárnej biológie na príklade fenoménu programovanej bunkovej smrti (apoptózy), medzibunkovej a intracelulárnej interakcie a využitia molekulárno-genetických markerov (ako príklad použijeme polymerázovú reťazovú reakciu) pre základné a aplikované účely.

Testovacie úlohy

Vznik a vývoj apoptózy v rôznych skupinách organizmov.

Charakteristika a hlavné cesty indukcie hlavných fáz apoptózy.

Základné mechanizmy regulácie apoptózy.

Patológie spôsobené poruchami v procese apoptózy.

Hlavné typy molekulárno-genetických markerov.

História objavu, metodológia polymerázovej reťazovej reakcie.

Vlastnosti vedenia a aplikácie hlavných typov PCR.

Význam prenosu signálu v medzibunkových a intracelulárnych interakciách.

Mechanizmy aktivácie receptorových proteínov.

Mechanizmy prenosu signálu počas medzibunkovej interakcie.

Reakcia cieľovej bunky na pôsobenie hormónu je tvorená vytvorením komplexu hormonálneho receptora (GR), čo vedie k aktivácii samotného receptora, iniciácii bunkovej odpovede. Hormón adrenalín pri interakcii s receptorom otvára membránové kanály a vstupný iónový prúd Na + - určuje funkciu bunky. Avšak väčšina hormónov otvára alebo zatvára membránové kanály nie nezávisle, ale v interakcii s G proteínom.

Mechanizmus účinku hormónov na cieľové bunky je spojený s ich chemickou štruktúrou:

■ vo vode rozpustné hormóny - proteíny a polypeptidy, ako aj deriváty aminokyselín - katecholamíny, interagujú s receptormi membrány cieľovej bunky a vytvárajú komplex hormón-receptor (GR).Vznik tohto komplexu vedie k vytvoreniu sekundárny alebo intracelulárny posol, s ktorým sú spojené zmeny vo funkcii buniek. Počet receptorov na povrchu membrány cieľovej bunky je približne 104-105;

■ hormóny rozpustné v tukoch - steroidy - prechádzajú cez membránu cieľovej bunky a interagujú s plazmatickými receptormi, ktorých počet sa pohybuje od 3000 do 104, pričom vytvárajú GR komplex, ktorý sa potom dostáva do jadrovej membrány. Steroidné hormóny a deriváty aminokyseliny tyrozínu - tyroxín a trijódtyronín - prenikajú jadrovou membránou a interagujú s jadrovými receptormi spojenými s jedným alebo viacerými chromozómami, čo vedie k zmenám v syntéze proteínov v cieľovej bunke.

Podľa moderných koncepcií je účinok hormónov spôsobený stimuláciou alebo inhibíciou katalytickej funkcie určitých enzýmov v cieľových bunkách. Tento efekt možno dosiahnuť dvoma spôsobmi:

■ interakcia hormónu s receptormi na povrchu bunkovej membrány a spustenie reťazca biochemických transformácií v membráne a cytoplazme;

■ penetrácia hormónu cez membránu a väzba na cytoplazmatické receptory, po ktorej komplex hormonálnych receptorov preniká do jadra a organel bunky, kde syntézou nových enzýmov realizuje svoj regulačný účinok.

Prvá cesta vedie k aktivácii membránových enzýmov a tvorbe sekundárnych poslov. Dnes sú známe štyri systémy sekundárnych poslov:

■ adenylátcykláza - cAMP;

■ guanylátcykláza - cGMP;

■ fosfolipáza - inozitol trifosfát;

■ kalmodulín - ionizovaný Ca 2+.

Druhým spôsobom ovplyvňovania cieľových buniek je komplexácia hormónu s receptormi obsiahnutými v bunkovom jadre, čo vedie k aktivácii alebo inhibícii jeho genetického aparátu.

Membránové receptory a druhí poslovia

Hormóny, viažuce sa na membránové receptory cieľovej bunky, tvoria komplex hormón-receptor GR (krok 1) (obr. 6.3). Konformačné zmeny v receptore aktivujú stimulačný G proteín (spojený s receptorom), ktorý je komplexom troch podjednotiek (α-, β-, γ-) a guanozíndifosfátu (GDP). nahradenie

TABUĽKA 6.11. Stručná charakteristika hormónov

Kde sa vyrábajú hormóny?		Názov hormónu		skratka	Účinky na cieľové bunky
hypotalamus		hormón uvoľňujúci tyreotropín			Stimuluje produkciu tyreotropínu adenohypofýzou
hypotalamus		Hormón uvoľňujúci kortikotropín			Stimuluje produkciu ACTH adenohypofýzou
hypotalamus		Hormón uvoľňujúci gonadotropín			Stimuluje produkciu luteinizačného (LH) a folikuly stimulujúceho (FSP) hormónu adenohypofýzou
hypotalamus		Faktor uvoľňujúci rastový hormón			Stimuluje produkciu rastového hormónu adenohypofýzou
hypotalamus		somatostatín			Potláča produkciu rastového hormónu adenohypofýzou
hypotalamus		Inhibičný faktor prolaktínu (dopamín)			Potláča tvorbu prolaktínu adenohypofýzou
hypotalamus		Faktor stimulujúci prolaktín			Stimuluje produkciu prolaktínu adenohypofýzou
hypotalamus		oxytocín			Stimuluje sekréciu mlieka a kontrakcie maternice
hypotalamus		Vasopresín - antidiuretický hormón			Stimuluje reabsorpciu vody v distálnom nefrone
Predná hypofýza		TSH alebo hormón stimulujúci štítnu žľazu		TSH aboTSH	Stimuluje syntézu a sekréciu tyroxínu a trijódtyronínu štítnou žľazou
Predná hypofýza					Stimuluje sekréciu glukokortikoidov (kortizolu) z kôry nadobličiek
Predná hypofýza		folikuly stimulujúci hormón			Stimuluje rast folikulov a sekréciu estrogénu vaječníkmi
Predná hypofýza		luteinizačný hormón			Stimuluje ovuláciu, tvorbu žltého telieska, ako aj syntézu estrogénu a progesterónu vo vaječníkoch
Predná hypofýza		Rastový hormón alebo somatotropný hormón			Stimuluje syntézu bielkovín a celkový rast
Predná hypofýza		prolaktín			Stimuluje tvorbu a sekréciu mlieka
Predná hypofýza		β-lipotropín
Stredný lalok hypofýzy		melznotropín			Stimuluje syntézu melanínu u rýb, obojživelníkov, plazov (u ľudí stimuluje rast kostry (osifikáciu kostí), zvyšuje intenzitu metabolizmu, tvorbu tepla, zvyšuje využitie bielkovín, tukov, sacharidov bunkami, stimuluje tvorbu mentálnych funkcií po narodení dieťaťa
štítnej žľazy		L-tyroxín
		trijódtyronín
Kôra nadobličiek (zone reticularis)		pohlavné hormóny			Stimuluje produkciu dihydrohepiandrosterónu a androstendiónu
Kôra nadobličiek (zona fasciculata)		Glukokortikoidy (kortizol)			Stimuluje glukoneogenézu, protizápalový účinok, potláča imunitný systém
Kôra nadobličiek (zona glomerulosa)		aldosterón			Zvyšuje reabsorpciu iónov Na +, sekréciu iónov K + v nefrónových tubuloch
mozog látka nadobličky		Adrenalín, norepinefrín			Aktivácia alfa, beta adrenergných receptorov
		estrogény			Rast a vývoj ženských pohlavných orgánov, proliferatívna fáza menštruačného cyklu
		progesterón			Sekrečná fáza menštruačného cyklu
		testosterónu			Spermatogenéza, mužské sekundárne pohlavné znaky
Pár štítnej žľazy		Parat hormón (hormón prištítnych teliesok)			Zvyšuje koncentráciu Ca 2+ iónov v krvi (demineralizácia kostí)
Štítna žľaza (C bunky)	kalcitonínu					Znižuje koncentráciu iónov Ca2+ v krvi
Aktivácia v obličkách	1,25-dihydroxycholekalciferol (kalcitriol)					Zvyšuje absorpciu iónov Ca 2+ v čreve
Pankreas – beta bunky						Znižuje koncentráciu glukózy v krvi
Pankreas – alfa bunky	glukagón					Zvyšuje koncentráciu glukózy v krvi
placenta	Ľudský choriový gonadotropín					Zvyšuje syntézu estrogénu a progesterónu
placenta	Ľudský placentárny laktogén					Pôsobí ako rastový hormón a prolaktín počas tehotenstva

RYŽA. 6.3. Schéma mechanizmu účinku hormónu s tvorbou sekundárneho intracelulárneho posla cAMP. GDP - guanín difosfát, GTP - guanín trifosfát

GDP na guanozíntrifosfát GTP (krok 2) vedie k oddeleniu α-podjednotky, ktorá okamžite interaguje s inými signálnymi proteínmi, čím sa mení aktivita iónových kanálov alebo bunkových enzýmov - adenylátcyklázy alebo fosfolipázy C - a funkcia bunky.

Pôsobenie hormónov na cieľové bunky s tvorbou druhého posla cAMP

Aktivovaný membránový enzým adenylátcykláza premieňa ATP na druhý posol cyklický adenozínmonofosfát cAMP (krok 3) (pozri obr. 6.3), ktorý následne aktivuje enzým proteín kinázu A (krok 4), čo vedie k fosforylácii špecifických proteínov ( krok 5.), ktorého dôsledkom je zmena fyziologickej funkcie (krok 6), napríklad tvorba nových membránových kanálov pre ióny vápnika, čo vedie k zvýšeniu sily srdcových kontrakcií.

Druhý posol cAMP je štiepený enzýmom fosfodiesterázou na neaktívnu formu 5'-AMP.

Niektoré hormóny (natriuretické) interagujú s inhibičnými G-proteínmi, čo vedie k zníženiu aktivity membránových enzýmov adenylátcyklázy a zníženiu funkcie buniek.

Pôsobenie hormónov na cieľové bunky s tvorbou druhých poslov - diacylglycerol a inozitol-3-fosfát

Hormón tvorí komplex s membránovým receptorom - OS (1. krok) (obr. 6.4) a prostredníctvom G-proteínu (2. krok) aktivuje fosfolipázu C pripojenú na vnútorný povrch receptora (3. krok).

Vplyvom fosfolipázy C, ktorá hydrolyzuje membránové fosfolipidy (fosfatidylinozitolbifosfát), sa vytvárajú dvaja sekundárni poslovia – diacylglycerol (DG) a inozitol-3-fosfát (IP3) (krok 4).

Sekundárny messenger IP3 mobilizuje uvoľňovanie Ca2+ iónov z mitochondrií a endoplazmatického retikula (krok 5), ktoré sa správajú ako sekundárni poslovia. Ca2+ ióny spolu s DH (lipid second messenger) aktivujú enzým proteín kinázu C (krok 6), ktorý fosforyluje proteíny a spôsobuje zmeny vo fyziologických funkciách cieľovej bunky.

Pôsobenie hormónov prostredníctvom vápnikovo-kalmodulínových systémov ktorý pôsobí ako sekundárny sprostredkovateľ. Keď vápnik vstúpi do bunky, naviaže sa na kalmodulín a aktivuje ho. Aktivovaný kalmodulín zase zvyšuje aktivitu proteínkinázy, čo vedie k fosforylácii bielkovín, zmene bunkových funkcií.

Vplyv hormónov na genetický aparát bunky

Steroidné hormóny rozpustné v tukoch prechádzajú cez membránu cieľovej bunky (krok 1) (obr. 6.5), kde sa viažu na receptorové proteíny v cytoplazme. Vytvorený komplex GR (krok 2) difunduje do jadra a viaže sa na špecifické oblasti DNA chromozómu (krok 3), čím sa aktivuje proces transkripcie prostredníctvom tvorby mRNA (krok 4). mRNA prenáša matricu do cytoplazmy, kde zabezpečuje translačné procesy na ribozómoch (5. krok) a syntézu nových proteínov (6. krok), čo vedie k zmenám fyziologických funkcií.

Hormóny štítnej žľazy rozpustné v tukoch, tyroxín a trijódtyronín, vstupujú do jadra, kde sa viažu na receptorový proteín, čo je proteín nachádzajúci sa na chromozómoch DNA. Tieto receptory riadia funkciu génových promótorov aj operátorov.

Hormóny aktivujú genetické mechanizmy nachádzajúce sa v jadre, ktoré produkujú viac ako 100 typov bunkových proteínov. Mnohé z nich sú enzýmy, ktoré zvyšujú metabolickú aktivitu buniek tela. Po jednej reakcii s intracelulárnymi receptormi poskytujú hormóny štítnej žľazy kontrolu génovej expresie na niekoľko týždňov.

Systémy sekundárnych poslov účinku hormónov sú:

1. adenylátcykláza a cyklický AMP,

2. Guanylátcykláza a cyklická GMP,

3. Fosfolipáza C:

diacylglycerol (DAG),

inozitoltrifosfát (IF3),

4. Ionizovaný Ca – kalmodulín

Heterotromický proteín G proteín.

Tento proteín tvorí slučky v membráne a má 7 segmentov. Sú prirovnávané k hadovitým stuhám. Má vyčnievajúce (vonkajšie) a vnútorné časti. Hormón je pripojený k vonkajšej časti a na vnútornom povrchu sú 3 podjednotky - alfa, beta a gama. V neaktívnom stave má tento proteín guanozíndifosfát. Ale po aktivácii sa guanozíndifosfát mení na guanozíntrifosfát. Zmena aktivity G proteínu vedie buď k zmene iónovej permeability membrány, alebo k aktivácii enzýmového systému v bunke (adenylátcykláza, guanylátcykláza, fosfolipáza C). To spôsobí tvorbu špecifických proteínov, aktivuje sa proteínkináza (nevyhnutná pre procesy fosforylácie).

G proteíny môžu byť aktivačné (Gs) a inhibičné, alebo inými slovami, inhibičné (Gi).

K deštrukcii cyklického AMP dochádza pôsobením enzýmu fosfodiesterázy. Cyklický GMF má opačný účinok. Pri aktivácii fosfolipázy C vznikajú látky, ktoré podporujú akumuláciu ionizovaného vápnika vo vnútri bunky. Vápnik aktivuje proteín cinázy a podporuje svalovú kontrakciu. Diacylglycerol podporuje premenu membránových fosfolipidov na kyselinu arachidónovú, ktorá je zdrojom tvorby prostaglandínov a leukotriénov.

Komplex hormonálnych receptorov preniká do jadra a pôsobí na DNA, ktorá mení transkripčné procesy a produkuje mRNA, ktorá opúšťa jadro a smeruje k ribozómom.

Preto hormóny môžu mať:

1. Kinetická alebo štartovacia akcia,

2. Metabolické pôsobenie,

3. Morfogenetický účinok (diferenciácia tkaniva, rast, metamorfóza),

4. Nápravné opatrenie (nápravné, prispôsobujúce sa).

Mechanizmy účinku hormónov v bunkách:

Zmeny priepustnosti bunkovej membrány,

aktivácia alebo inhibícia enzýmových systémov,

Vplyv na genetickú informáciu.

Regulácia je založená na úzkej interakcii endokrinného a nervového systému. Excitačné procesy v nervovom systéme môžu aktivovať alebo inhibovať činnosť žliaz s vnútornou sekréciou. (Vezmite si napríklad proces ovulácie u králika. K ovulácii u králika dochádza až po párení, čo stimuluje uvoľňovanie gonadotropného hormónu z hypofýzy. Ten spôsobuje proces ovulácie).

Po duševnej traume sa môže vyskytnúť tyreotoxikóza. Nervový systém riadi uvoľňovanie hormónov hypofýzy (neurohormónov) a hypofýza ovplyvňuje činnosť ostatných žliaz.

Existujú mechanizmy spätnej väzby. Akumulácia hormónu v tele vedie k inhibícii produkcie tohto hormónu príslušnou žľazou a nedostatok bude mechanizmom stimulácie tvorby hormónu.

Existuje mechanizmus samoregulácie. (Napríklad hladina glukózy v krvi podmieňuje produkciu inzulínu a (alebo) glukagónu, ak sa hladina cukru zvýši, vytvorí sa inzulín a ak sa zníži, vytvorí sa glukagón. Nedostatok Na stimuluje tvorbu aldosterónu).

5. Hypotalamo-hypofyzárny systém. Jeho funkčná organizácia. Neurosekrečné bunky hypotalamu. Charakteristika trópnych hormónov a uvoľňujúcich hormónov (liberíny, statíny). Epifýza (šišinka).

6. Adenohypofýza, jej spojenie s hypotalamom. Povaha pôsobenia hormónov prednej hypofýzy. Hypo- a hypersekrécia hormónov adenohypofýzy. Zmeny súvisiace s vekom v tvorbe hormónov v prednom laloku.

Bunky adenohypofýzy (pozri ich štruktúru a zloženie v histologickom priebehu) produkujú tieto hormóny: somatotropín (rastový hormón), prolaktín, tyreotropín (hormón stimulujúci štítnu žľazu), folikuly stimulujúci hormón, luteinizačný hormón, kortikotropín (ACTH), melanotropín, beta-endorfín, diabetogénny peptid, exoftalmický faktor a ovariálny rastový hormón. Pozrime sa bližšie na účinky niektorých z nich.

kortikotropín . (adrenokortikotropný hormón - ACTH) je vylučovaný adenohypofýzou v nepretržite pulzujúcich vzplanutiach, ktoré majú jasný denný rytmus. Sekrécia kortikotropínu je regulovaná priamymi a spätnoväzbovými spojeniami. Priame spojenie predstavuje hypotalamický peptid - kortikoliberín, ktorý zvyšuje syntézu a sekréciu kortikotropínu. Spätná väzba je vyvolaná obsahom kortizolu v krvi (hormón kôry nadobličiek) a je uzavretá na úrovni hypotalamu aj adenohypofýzy a zvýšenie koncentrácie kortizolu inhibuje sekréciu kortikotropínu a kortikotropínu.

Kortikotropín má dva typy účinku – nadobličkový a extraadrenálny. Účinok nadobličiek je hlavný a spočíva v stimulácii sekrécie glukokortikoidov a v oveľa menšej miere mineralokortikoidov a androgénov. Hormón zvyšuje syntézu hormónov v kôre nadobličiek - steroidogenézu a syntézu bielkovín, čo vedie k hypertrofii a hyperplázii kôry nadobličiek. Extraadrenálny účinok spočíva v lipolýze tukového tkaniva, zvýšenej sekrécii inzulínu, hypoglykémii, zvýšenom ukladaní melanínu s hyperpigmentáciou.

Nadbytok kortikotropínu je sprevádzaný rozvojom hyperkortizolizmu s prevládajúcim zvýšením sekrécie kortizolu a nazýva sa „Itsenko-Cushingova choroba“. Pre nadbytok glukokortikoidov sú typické hlavné prejavy: obezita a iné metabolické zmeny, zníženie účinnosti imunitných mechanizmov, rozvoj arteriálnej hypertenzie a možnosť vzniku cukrovky. Nedostatok kortikotropínu spôsobuje nedostatočnú funkciu glukokortikoidov nadobličiek s výraznými metabolickými zmenami, ako aj zníženie odolnosti organizmu voči nepriaznivým podmienkam prostredia.

Somatotropín. . Rastový hormón má široké spektrum metabolických účinkov, ktoré poskytujú morfogenetické účinky. Hormón ovplyvňuje metabolizmus bielkovín, zvyšuje anabolické procesy. Stimuluje prísun aminokyselín do buniek, syntézu bielkovín zrýchlením translácie a aktiváciou syntézy RNA, zvyšuje delenie buniek a rast tkanív a inhibuje proteolytické enzýmy. Stimuluje inkorporáciu sulfátu do chrupavky, tymidínu do DNA, prolínu do kolagénu, uridínu do RNA. Hormón spôsobuje pozitívnu dusíkovú bilanciu. Stimuluje rast epifýzových chrupaviek a ich nahradenie kostným tkanivom aktiváciou alkalickej fosfatázy.

Účinok na metabolizmus sacharidov je dvojaký. Na jednej strane somatotropín zvyšuje produkciu inzulínu jednak v dôsledku priameho účinku na beta bunky, jednak v dôsledku hormónmi vyvolanej hyperglykémie spôsobenej rozkladom glykogénu v pečeni a svaloch. Somatotropín aktivuje pečeňovú inzulínázu, enzým, ktorý ničí inzulín. Na druhej strane má somatotropín kontrainzulárny účinok, ktorý inhibuje využitie glukózy v tkanivách. Táto kombinácia účinkov môže v prítomnosti predispozície v podmienkach nadmernej sekrécie spôsobiť diabetes mellitus, pôvodom nazývaný hypofýza.

Účinkom na metabolizmus tukov je stimulácia lipolýzy tukového tkaniva a lipolytický účinok katecholamínov, zvýšenie hladiny voľných mastných kyselín v krvi; v dôsledku ich nadmerného príjmu do pečene a oxidácie sa zvyšuje tvorba ketolátok. Tieto účinky somatotropínu sú tiež klasifikované ako diabetogénne.

Ak sa v ranom veku vyskytne nadbytok hormónu, vzniká gigantizmus s proporcionálnym vývojom končatín a trupu. Nadbytok hormónu v dospievaní a dospelosti spôsobuje zvýšený rast epifýzových oblastí kostí kostry, oblastí s neúplnou osifikáciou, čo sa nazýva akromegália. . Zväčšujú sa aj vnútorné orgány – splanchomegália.

Pri vrodenom nedostatku hormónu sa vytvára nanizmus, nazývaný „hypofýzový nanizmus“. Po vydaní románu J. Swifta o Gulliverovi sa takýmto ľuďom hovorovo hovorí liliputáni. V iných prípadoch spôsobuje získaný nedostatok hormónu miernu retardáciu rastu.

Prolaktín . Sekréciu prolaktínu regulujú hypotalamické peptidy – inhibítor prolaktinostatín a stimulátor prolaktoliberín. Produkcia hypotalamických neuropeptidov je pod dopaminergnou kontrolou. Hladina estrogénu a glukokortikoidov v krvi ovplyvňuje množstvo sekrécie prolaktínu

a hormóny štítnej žľazy.

Prolaktín špecificky stimuluje vývoj mliečnej žľazy a laktáciu, ale nie jej sekréciu, ktorá je stimulovaná oxytocínom.

Okrem mliečnych žliaz prolaktín ovplyvňuje pohlavné žľazy, pomáha udržiavať sekrečnú aktivitu žltého telieska a tvorbu progesterónu. Prolaktín je regulátorom metabolizmu voda-soľ, znižuje vylučovanie vody a elektrolytov, potencuje účinky vazopresínu a aldosterónu, stimuluje rast vnútorných orgánov, erytropoézu, podporuje prejavy materského pudu. Okrem toho, že zvyšuje syntézu bielkovín, zvyšuje tvorbu tuku zo sacharidov, čím prispieva k popôrodnej obezite.

melanotropín . . Tvorí sa v bunkách stredného laloku hypofýzy. Produkcia melanotropínu je regulovaná hypotalamickým melanoliberínom. Hlavný účinok hormónu je na melanocyty kože, kde spôsobuje potlačenie pigmentu v procesoch, zvýšenie voľného pigmentu v epiderme obklopujúcej melanocyty a zvýšenie syntézy melanínu. Zvyšuje pigmentáciu pokožky a vlasov.

Neurohypofýza, jej spojenie s hypotalamom. Účinky hormónov zadnej hypofýzy (oxygocín, ADH). Úloha ADH pri regulácii objemu tekutín v tele. Diabetes insipidus.

vazopresín . . Tvorí sa v bunkách supraoptického a paraventrikulárneho jadra hypotalamu a hromadí sa v neurohypofýze. Hlavné podnety, ktoré regulujú syntézu vazopresínu v hypotalame a jeho vylučovanie do krvi hypofýzou, možno vo všeobecnosti nazvať osmotické. Sú reprezentované: a) zvýšením osmotického tlaku krvnej plazmy a stimuláciou cievnych osmoreceptorov a osmoreceptorových neurónov hypotalamu; b) zvýšenie obsahu sodíka v krvi a stimulácia hypotalamických neurónov, ktoré pôsobia ako sodíkové receptory; c) zníženie centrálneho objemu cirkulujúcej krvi a krvného tlaku, vnímané objemovými receptormi srdca a mechanoreceptormi krvných ciev;

d) emočno-bolestivý stres a fyzická aktivita; e) aktivácia renín-angiotenzínového systému a účinok neurosekrečných neurónov stimulujúcich angiotenzín.

Účinky vazopresínu sa realizujú vďaka väzbe hormónu v tkanivách na dva typy receptorov. Väzba na receptory typu Y1, lokalizované prevažne v stene krvných ciev, cez druhých poslov inozitoltrifosfát a vápnik spôsobuje cievny kŕč, ktorý prispieva k názvu hormónu - „vazopresín“. Väzba na receptory typu Y2 v distálnych častiach nefrónu prostredníctvom sekundárneho posla c-AMP zaisťuje zvýšenie priepustnosti zberných kanálikov nefrónu pre vodu, jeho reabsorpciu a koncentráciu v moči, čo zodpovedá druhému názvu vazopresínu -“ antidiuretický hormón, ADH“.

Okrem účinku na obličky a cievy je vazopresín jedným z dôležitých mozgových neuropeptidov, ktoré sa podieľajú na tvorbe smädu a pitia, na pamäťových mechanizmoch a regulácii sekrécie hormónov adenohypofýzy.

Nedostatok alebo dokonca úplná absencia sekrécie vazopresínu sa prejavuje vo forme prudkého zvýšenia diurézy s uvoľnením veľkého množstva hypotonického moču. Tento syndróm sa nazýva " diabetes insipidus“, môže byť vrodená alebo získaná.Prejavuje sa syndróm nadmerného vazopresínu (Parhonov syndróm).

pri nadmernom zadržiavaní tekutín v tele.

Oxytocín . Syntéza oxytocínu v paraventrikulárnych jadrách hypotalamu a jeho uvoľňovanie do krvi z neurohypofýzy je stimulované reflexnou dráhou pri dráždení napínacích receptorov krčka maternice a receptorov mliečnych žliaz. Estrogény zvyšujú sekréciu oxytocínu.

Oxytocín spôsobuje tieto účinky: a) stimuluje kontrakciu hladkého svalstva maternice, čím podporuje pôrod; b) vyvoláva kontrakciu buniek hladkého svalstva vylučovacích ciest mliečnej žľazy, čím sa zabezpečuje uvoľňovanie mlieka; c) má za určitých podmienok diuretický a natriuretický účinok; d) podieľa sa na organizácii správania pri pití a jedení; e) je ďalším faktorom regulácie sekrécie adenohypofýzových hormónov.

Stručný opis:

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

MODUL 4: ŠTRUKTÚRA A FUNKCIA 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. Interpretovať úlohu membrán pri regulácii metabolizmu, transporte látok do bunky a odstraňovaní metabolitov.

2. Vysvetlite molekulárne mechanizmy pôsobenia 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, eikosanoidov.

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 významné štruktúrne znaky, sú jedinečné svojim zložením a charakterom funkcií, ktoré vykonávajú.

Membrány:

Bunky sú oddelené od prostredia a rozdelené do kompartmentov;

Regulovať transport látok do buniek a organel a v opačnom smere;

Poskytnite špecifickosť medzibunkových kontaktov;

Vnímajú signály z vonkajšieho prostredia.

Koordinované fungovanie membránových systémov, vrátane receptorov, enzýmov a transportných 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 lipidová dvojitá 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 „hlavy“ – smerujú von a sú v kontakte s vodným prostredím.

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

Membrány obsahujú tri hlavné typy lipidov – fosfolipidy, glykolipidy a cholesterol (obr. 4.2 – 4.4). Najbežnejší 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 k nemu pripojená hydrofilná skupina serínu, cholínu, etanolamínu alebo inozitolu.

Existujú tiež lipidové deriváty aminoalkohol sfingozín.

Aminoalkohol sfingozín po acylácii, t.j. pridaním mastnej kyseliny do skupiny NH2 sa mení na ceramid. Ceramidy sa líšia 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 je obsiahnutých v myelínových obaloch nervových vlákien. Glykolipidy sú sacharidové deriváty ceramidu. V závislosti od štruktúry sacharidovej zložky sa rozlišujú cerebrozidy a gangliozidy.

Cholesterol nachádza sa v membránach všetkých živočíšnych buniek, dodáva membránam tuhosť a znižuje ich plynulosť(tekutosť). Molekula cholesterolu sa nachádza v hydrofóbnej zóne membrány paralelne s hydrofóbnymi „chvosty“ fosfo- a glykolipidových molekúl. Hydroxylová skupina cholesterolu, podobne ako hydrofilné „hlavy“ fosfo- a glykolipidov,

Ryža. 4.3. Deriváty aminoalkoholu sfingozínu.

Ceramid je 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 mono alebo oligosacharidový zvyšok lineárnej štruktúry. 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. Poloha 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. Na porovnanie, obrázok ukazuje schematické znázornenie membránového fosfolipidu. Polárna hlava týchto molekúl je oveľa väčšia a má náboj

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

Hlavnými funkciami membránových lipidov sú:

Vytvára sa lipidová dvojvrstva - 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 všeobecne nepolárne;

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

Acylové zvyšky mastných kyselín naviazané na proteín zaisťujú jeho „ukotvenie“ v membráne a možnosť laterálnej difúzie. Okrem toho membránové proteíny podliehajú posttranslačným modifikáciám, ako je glykozylácia a fosforylácia. Glykozylácia vonkajšieho povrchu integrálnych proteínov ich chráni pred poškodením proteázami v medzibunkovom priestore.

Ryža. 4.5. Membránové proteíny:

1, 2 - integrálne (transmembránové) proteíny; 3, 4, 5, 6 - povrchové proteíny. V integrálnych proteínoch je časť polypeptidového reťazca ponorená do lipidovej vrstvy. Tie časti proteínu, ktoré interagujú s uhľovodíkovými reťazcami mastných kyselín, obsahujú prevažne nepolárne aminokyseliny. Proteínové oblasti 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 pomocou krátkej hydrofóbnej koncovej domény; 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;

Kvalita enzýmov pri premene 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 a 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 látky cez membrány pozdĺž koncentračného gradientu

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

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 IF 2 (fosfatidylinozitol-4,5-bisfosfát) pôsobením enzýmu fosfolipázy C. IP 3 sa viaže na špecifické centrá protoméry Ca2+ kanála membrány endoplazmatického retikula. Konformácia proteínu sa mení a kanál sa otvára - Ca2+ vstupuje do bunkového cytosólu pozdĺž koncentračného gradientu

2. Aktívna doprava. Primárne aktívne transport prebieha proti koncentračnému gradientu s výdajom energie ATP za účasti transportných ATPáz, napríklad Na+, K+-ATPázy, H+-ATPázy, Ca2+-ATPázy (obr. 4.8). H + -ATPázy fungujú ako protónové pumpy, pomocou ktorých sa v bunkových lyzozómoch vytvára kyslé prostredie. Pomocou Ca 2+ -ATPázy cytoplazmatickej membrány a membrány endoplazmatického retikula sa v bunkovom cytosóle udržiava nízka koncentrácia vápnika a v mitochondriách a endoplazmatickom retikule vzniká intracelulárny Ca 2+ depot.

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

Pridanie látky, ktorej koncentrácia je vyššia k aktívnemu centru nosného proteínu, mení jeho konformáciu a zvyšuje afinitu k zlúčenine, ktorá prechádza do bunky proti koncentračnému gradientu. Sekundárny aktívny transport je dvoch typov: aktívny import 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 prebieha endocytóza. K väzbe látok alebo vysokomolekulárnych komplexov dochádza v určitých oblastiach plazmatickej membrány, ktoré sú tzv ohraničené jamami. 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, aby sa z bunky odstránili látky, ktoré sa hromadia v sekrečných granulách. Vo väčšine prípadov je exocytóza regulovaná zmenou koncentrácie iónov vápnika v cytoplazme buniek.

TÉMA 4.3. TRANSMEMBRÁNOVÝ PRENOS SIGNÁLU

Dôležitou vlastnosťou membrán je schopnosť vnímať a prenášať signály z okolia do bunky. Bunky vnímajú vonkajšie signály, keď interagujú s receptormi umiestnenými v membráne cieľových buniek. Receptory pripojením signálnej molekuly aktivujú intracelulárne dráhy prenosu informácií, čo vedie k zmenám rýchlosti rôznych metabolických procesov.

1. signálna molekula,špecificky interagujúce s membránovým receptorom sa nazývajú primárny posol. Ako primárni poslovia pôsobia rôzne chemické zlúčeniny – hormóny, neurotransmitery, eikosanoidy, rastové faktory alebo fyzikálne faktory, ako napríklad svetelné kvantá. Receptory bunkovej membrány, aktivované primárnymi poslami, prenášajú prijaté informácie do systému proteínov a enzýmov, ktoré sa tvoria kaskáda prenosu signálu, poskytujúce niekoľko stonásobné zosilnenie signálu. Čas odozvy buniek, ktorý pozostáva z aktivácie alebo inaktivácie metabolických procesov, svalovej kontrakcie a transportu látok z cieľových buniek, môže byť niekoľko minút.

Membrána receptory sa delia na:

Receptory obsahujúce primárnu podjednotku viažucu 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).

Sekundárne poslovia majú malú molekulovú hmotnosť, difundujú vysokou rýchlosťou v cytosóle bunky, menia aktivitu zodpovedajúcich proteínov a potom sa rýchlo odštiepia alebo odstránia z cytosólu.

Ryža. 4.10. Receptory lokalizované v membráne.

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

Role sekundárnych poslov molekuly a ióny vykonávajú:

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 preniknúť do bunky a interagovať s intracelulárne receptory. Fyziologicky dôležitý rozdiel medzi membránovými a intracelulárnymi receptormi je rýchlosť odozvy 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 proteíny cytoplazmatickej membrány:

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

R; - primárny messenger receptor - ACS inhibítor;

Enzým adenylátcykláza (AC).

- "ukotvený" bielkoviny:

Gs je proteín viažuci sa na GTP pozostávajúci z podjednotiek a, βγ, v ktorých (a, 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 proteínkináza A (PKA).

Sekvencia udalostí primárnej mediátorovej signalizácie pomocou systému 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, napríklad hormónu, 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 proteínu G.. k GDP a zvyšuje afinitu k GTP. V aktívnom strede α,-podjednotky je GDP nahradený GTP. To spôsobí zmenu konformácie α podjednotky a zníženie jej afinity k βγ podjednotkám. Oddelená podjednotka α,-GTP sa pohybuje laterálne v lipidovej vrstve membrány smerom k enzýmu adenylátcyklázy.

Interakcia α,-GTP s regulačným centrom adenylátcyklázy mení konformáciu enzýmu, vedie k jeho aktivácii a zvýšeniu rýchlosti tvorby sekundárneho posla - cyklického adenozín-3,5"-monofosfátu (cAMP) od ATP. Koncentrácia cAMP v bunke sa 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 nadobúdajú enzymatickú aktivitu.

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

Aktivácia signálnej molekuly R receptora stimuluje fungovanie Gj proteínu, ktoré prebieha podľa rovnakých pravidiel ako pri G proteíne. 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 proteínu G... Separácia α,-GDP od adenylátcyklázy inaktivuje enzým a syntéza cAMP sa zastaví.

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 vzniká neaktívna forma PKA.

Fosforylované enzýmy a proteíny pod vplyvom fosfoproteínfosfatázy 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. Tým je zabezpečené, že obsah hormónu v krvi zodpovedá intenzite 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. reguláciu génovej expresie (obr. 4.12). Aktívna proteínkináza A môže vstúpiť do jadra a fosforylovať transkripčný faktor (CREB). Spojenie fosforu

Ryža. 4.12. Adenylátcyklázová dráha vedúca k expresii špecifických génov

Zvyšuje afinitu transkripčného faktora (CREB-(P) k špecifickej sekvencii regulačnej zóny DNA-CRE (cAMP-response element) a stimuluje expresiu génov pre určité proteíny.

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

Ryža. 4.13. Inozitol fosfátový systém

Činnosť systému zabezpečujú proteíny: kalmodulín, enzým proteín kináza C, Ca 2 + -kalmodulín-dependentné proteín kinázy, Ca 2 + - regulované kanály membrány endoplazmatického retikula, Ca 2 + -ATPázy bunkových a mitochondriálnych membrán .

Sekvencia udalostí primárnej mediátorovej signalizácie prostredníctvom inozitolfosfátového systému

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

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

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

Pri reakcii vznikajú dva produkty - sekundárni poslovia hormonálneho signálu (druhí poslovia): diacylglycerol, ktorý zostáva v membráne a podieľa sa na aktivácii enzýmu proteínkinázy C, a inozitol-1,4,5-trifosfát (IP 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. Pretože koncentrácia vápnika v ER je približne o 3-4 rády vyššia ako v cytosóle, po otvorení kanála vstupuje Ca2+ do cytosólu pozdĺž koncentračného gradientu. V neprítomnosti IP 3 v cytosóle je kanál uzavretý.

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

vápnik, aktívne sa viaže na kalmodulín a vytvára komplex 4Ca 2+ -kalmodulínu. Tento komplex interaguje s Ca 2+ -kalmodulín-dependentnými proteínkinázami a inými enzýmami a zvyšuje ich aktivitu. Aktivovaná Ca2+ -kalmodulín-dependentná proteínkináza fosforyluje určité proteíny a enzýmy, čo vedie k zmenám v ich aktivite a rýchlosti metabolických procesov, na ktorých sa zúčastňujú.

Zvýšenie koncentrácie Ca2+ v bunkovom cytosóle zvyšuje rýchlosť interakcie Ca2+ s inaktívnym cytozolovým enzýmom proteínkináza C (PKC). Väzba PKC na ióny vápnika stimuluje pohyb proteínu na plazmatickú membránu a umožňuje enzýmu interagovať s negatívne nabitými „hlavičkami“ molekúl fosfatidylserínu (PS) v membráne. Diacylglycerol, ktorý obsadzuje špecifické miesta v proteínkináze C, ďalej zvyšuje jeho afinitu k iónom vápnika. Na vnútornej strane membrány sa tvorí aktívna forma PKS (PKS? Ca 2 + ? PS? DAG), ktorá fosforyluje špecifické enzýmy.

Aktivácia IF systému netrvá dlho a po reakcii bunky na podnet dochádza k inaktivácii enzýmov závislých od fosfolipázy C, proteínkinázy C a Ca 2 + kalmodulínu. af ls -Podjednotka v komplexe s GTP a fosfolipázou C vykazuje enzymatickú (GTP-fosfatázovú) aktivitu, hydrolyzuje GTP. Apl-podjednotka naviazaná na GDP stráca svoju afinitu k fosfolipáze C a vracia sa do pôvodného neaktívneho stavu, t.j. je obsiahnutý v komplexe αβγ-GDP (Gf lc-proteín).

Oddelenie apls-GDP od fosfolipázy C inaktivuje enzým a hydrolýza PIF2 sa zastaví. Zvýšenie koncentrácie Ca 2+ v cytosóle aktivuje prácu Ca 2+ -ATPáz endoplazmatického retikula, cytoplazmatickej membrány, ktoré „odčerpávajú“ Ca 2+ z cytosólu bunky. Na tomto procese sa podieľajú aj nosiče Na+/Ca 2+ a H+/Ca 2+, 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 sa pôsobením fosfoproteínfosfatázy transformujú do defosforylovanej formy, mení sa ich konformácia a aktivita.

5. Katalytické receptory. Katalytické receptory sú enzýmy. Aktivátormi týchto enzýmov môžu byť hormóny, rastové faktory a cytokíny. V aktívnej forme enzýmové receptory fosforylujú špecifické proteíny na -OH skupinách tyrozínu, preto sa nazývajú tyrozín proteínkinázy (obr. 4.15). Za účasti 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 receptorové β podjednotky

inzulín

Príkladom katalytického receptora je inzulínový receptor ktorý pozostáva z dvoch a- a dvoch beta-podjednotiek. α-podjednotky sa nachádzajú na vonkajšom povrchu bunkovej membrány, β-podjednotky prenikajú do membránovej dvojvrstvy. Miesto viazania inzulínu je tvorené N-terminálnymi 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.

Pripojenie inzulínu k väzbovému centru tvorenému α-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 zmenám v náboji, konformácii a substrátovej špecifickosti enzýmu (Tyr-PK). Tyrozín-PK fosforyluje určité bunkové proteíny, ktoré sa nazývajú substráty inzulínových receptorov. Na druhej strane sa tieto proteíny podieľajú na aktivácii kaskády fosforylačných reakcií:

fosfoproteínfosfatázy(PPF), ktorý defosforyluje špecifické fosfoproteíny;

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

GLUT 4- transportéry glukózy v tkanivách závislých od inzulínu, preto sa zvyšuje prísun glukózy do svalových buniek a tukového tkaniva;

tyrozín proteín fosfatáza, ktorý defosforyluje p-podjednotky inzulínového receptora;

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

Implementácia efektu rastové faktory sa môže uskutočniť pomocou katalytických receptorov, ktoré pozostávajú z jediného polypeptidového reťazca, ale po naviazaní primárneho posla tvoria diméry. Všetky receptory tohto typu majú extracelulárnu glykozylovanú doménu, transmembránovú (a-helix) a cytoplazmatickú doménu, ktoré sú schopné vykazovať aktivitu proteínkinázy, keď sú aktivované.

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

Postupnosť dejov prenosu signálu primárnych poslov (rastových faktorov) za účasti proteínov Ras a Raf.

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

zabezpečuje jeho interakciu s ukotveným membránovým proteínom Ras-GDP. Tvorba komplexu FR?R?Ggb2?SOS?Ras-GDP znižuje afinitu proteínu Ras k GDP a zvyšuje afinitu k GTP.

Nahradenie GDP GTP mení konformáciu proteínu Ras, ktorý sa oddeľuje od komplexu a interaguje s proteínom Raf v oblasti blízkej membrány. Komplex Ras-GTPyRaf 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 sa nachádzajú v epidermálnom rastovom faktore (EGF), nervovom rastovom faktore (NGF) a iných rastových faktoroch.

Grb2 je 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 - v aktívnej forme - fosforyluje MEK kinázu; MEK kináza - MAP kináza kináza; MAP kináza - mitogénom aktivovaná proteínkináza

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

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

Receptory s aktivita guanylátcyklázy patria tiež ku katalytickým receptorom. 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

Väzba primárneho posla na receptor aktivuje guanylátcyklázu, ktorá katalyzuje premenu GTP na cyklický guanozín-3,5"-monofosfát (cGMP), sekundárneho posla. Koncentrácia cGMP v bunke sa zvyšuje. Molekuly cGMP sa môžu reverzibilne viazať na regulačné centrá 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. Hormóny, ktoré sú chemicky hydrofóbne (steroidné hormóny a tyroxín) môžu difundovať cez membrány, takže ich receptory sa nachádzajú v cytosóle alebo v jadre bunky.

Cytosolické receptory sú spojené s chaperónovým proteínom, ktorý zabraňuje predčasnej aktivácii receptora. Jadrové a cytosolické receptory steroidných a tyreoidálnych hormónov obsahujú DNA-väzbovú doménu, ktorá zabezpečuje interakciu komplexu hormón-receptor s regulačnými oblasťami DNA v jadre a zmeny v rýchlosti transkripcie.

Postupnosť udalostí vedúcich k zmenám v 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. Prístupnosť promótora k RNA polymeráze sa zvyšuje pri interakcii so zosilňovačom alebo klesá pri interakcii s tlmičom. V súlade s tým sa rýchlosť transkripcie určitých štruktúrnych génov zvyšuje alebo znižuje. Zrelé mRNA opúšťajú jadro. 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 prenosu signálu, ktoré premieňajú všetky vonkajšie signály na vnútrobunkové. Počet receptorov pre konkrétneho primárneho posla sa môže meniť od 500 do viac ako 100 000 na bunku. Sú umiestnené na membráne vzdialenej od seba alebo 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 pod vplyvom 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 prenesenej látky

3. Zápas:

A. Vápnikový kanál ER B. Ca2+-ATPáza

D. Ka+-závislý Ca2+ transportér D. N+, K+-ATPáza

1. Transportuje Na+ pozdĺž koncentračného gradientu

2. Funguje mechanizmom facilitovanej difúzie

3. Transportuje Na+ proti koncentračnému gradientu

4. Posuňte stôl. 4.2. do zošita a vyplňte ho.

Tabuľka 4.2. Systémy adenylátcyklázy a inozitolfosfátu

Štruktúra a fázy prevádzky	Systém adenylátcyklázy	Inozitol fosfátový systém
Príklad primárneho posla systému
Integrálny proteín bunkovej membrány, ktorý komplementárne interaguje s primárnym poslom
Proteín, ktorý aktivuje enzýmový signalizačný systém
Enzýmový systém tvoriaci druhého posla(ov)
Systémy sekundárnych poslov
Cytosolický enzým(y) systému interagujúci(é) s druhým poslom
Mechanizmus regulácie (v tomto systéme) aktivity enzýmov v metabolických dráhach
Mechanizmy na zníženie koncentrácie druhých poslov v cieľovej bunke
Dôvod poklesu aktivity membránového enzýmu signalizačného systému

SEBAOVLÁDACIE ÚLOHY

1. Zápas:

A. Pasívny symport B. Pasívny antiport

B. Endocytóza D. Exocytóza

D. Primárny aktívny transport

1. Transport látky do bunky prebieha spolu s časťou plazmatickej membrány

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

3. K prenosu látok dochádza proti koncentračnému gradientu

2. Vyber správnu odpoveď.

ag-G proteínová podjednotka naviazaná na GTP aktivuje:

A. Receptor

B. Proteínkináza A

B. Fosfodiesteráza G. adenylátcykláza D. Proteínkináza C

3. Zápas.

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 D. Aktivuje proteínkinázu C

Sekundárny posol:

4. Zápas.

Prevádzka:

A. Schopný laterálnej difúzie v membránovej dvojvrstve

B. V komplexe s primárnym poslom sa spája so zosilňovačom

B. Pri interakcii s primárnym poslom vykazuje enzymatickú aktivitu

D. Môže interagovať s G proteínom

D. Počas prenosu signálu interaguje s fosfolipázou C 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

D. Kovalentne naviazaný na FIF 2

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

A. Hormón

B. Intermediárne metabolity

B. Sekundárne poslovia D. Jadrové proteíny

V) tieto molekuly môžu byť:

A. TAG B. GTP

B. FIF2 G. 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 proteín fosfatázy

D. Zmeny v génovej expresii regulačných proteínov

6. Dokončite „reťazovú“ úlohu:

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. Premiestnenie komplexu FR-R

b) Takéto zmeny v štruktúre receptora zvyšujú jeho afinitu k proteínu povrchovej membrány:

B. Raf G. Grb2

V) táto interakcia zvyšuje pravdepodobnosť spojenia cytosolického proteínu s komplexom:

A. Calmodulina B. Ras

B. PKS D. SOS

G) čo zvyšuje komplementaritu komplexu k „ukotvenému“ proteínu:

d) zmena v konformácii „ukotveného“ proteínu znižuje jeho afinitu k:

A. cAMP B. GTP

B. GDP D. ATP

e) táto látka sa nahrádza takto:

A. HDF B. AMP

B. cGMP D. GTP

a) pridanie 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 následne aktivuje:

A. MEK kináza B. Proteínová kináza 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. Zníženie afinity receptora pre rastový faktor

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

m) v dôsledku toho:

A. SOS proteín disociuje 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 „SEBAOVLÁDACIE ÚLOHY“

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

ZÁKLADNÉ POJMY A POJMY

1. Štruktúra a funkcie membrán

2. Transport látok cez membrány

3. Vlastnosti štruktúry membránových proteínov

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

5. Primárni poslovia

6. Sekundárni poslovia (sprostredkovatelia)

ÚLOHY NA PRÁCU V TRIEDE

1. Pozrite si obr. 4.19 a dokončite nasledujúce úlohy:

a) pomenovať druh dopravy;

b) určiť poradie udalostí:

A. Cl - opúšťa bunku pozdĺž koncentračného gradientu

B. Proteínkináza A fosforyluje R podjednotku kanála

B. Mení sa konformácia podjednotky R

D. Vyskytujú sa kooperatívne konformačné zmeny membránového proteínu

D. Aktivuje sa systém adenylátcyklázy

Ryža. 4.19. Fungovanie C1 kanála v črevnom endoteli.

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

c) vyplnením tabuľky porovnajte fungovanie Ca 2+ kanála membrány endoplazmatického retikula a Cl - kanála endotelovej bunky čreva. 4.3.

Tabuľka 4.3. Metódy 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 transportérov cytoplazmatickej membrány. Koncentráciu cAMP v bunkách zase 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 produkujú rôzne bunkové reakcie. Pre to:

a) predstavte si schému prenosu signálu pre adrenalín a acetylcholín;

b) označujú rozdiel v kaskádach prenosu signálu týchto poslov.

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

a) pomenujte sekundárneho posla, ktorý zabezpečuje otvorenie Ca2+ kanálov v ER;

b) napíšte reakciu vzniku sekundárneho posla;

c) prezentovať diagram transmembránového prenosu signálu acetylcholínu, pri aktivácii ktorého vzniká Ca 2+ kanál regulačného ligandu

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

a) uveďte diagram transmembránového prenosu signálu inzulínu;

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

4. Proteín Ras je ukotvený proteín cytoplazmatickej membrány. Funkciu „kotvy“ vykonáva 15-uhlíkový farnezylový zvyšok H3C-(CH3)C=CH-CH2-[CH2-(CH3)C=CH-CH2]2-, ktorý je pripojený na proteín enzýmom farnezyltransferázou počas posttranslačnej modifikácie. Inhibítory tohto enzýmu v súčasnosti prechádzajú klinickými skúškami.

Prečo užívanie týchto liekov vedie k narušeniu prenosu signálu rastového faktora? Odpovedať:

a) predstavujú schému prenosu signálu zahŕňajúcu proteíny Ras;

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

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

5. Steroidný hormón kalcitriol aktivuje absorpciu vápnika z potravy, čím zvyšuje počet transportných proteínov Ca 2+ 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 ktorej biosyntéze matrice sa budú podieľať molekuly syntetizované v jadre a kde sa vyskytuje.

I. Prenikanie steroidu (C) do bunky

II. Vznik komplexu SR

Všetky P steroidné hormóny sú globulárne proteíny približne rovnakej veľkosti, ktoré viažu hormóny s veľmi vysokou afinitou

III. Transformácia CP do formy schopnej viazať sa na jadrové akceptory [CP]

Každá bunka obsahuje všetky genetické informácie. S bunkovou špecializáciou je však väčšina DNA zbavená schopnosti slúžiť ako templát pre syntézu mRNA. To sa dosiahne skladaním okolo histónových proteínov, čo vedie k inhibícii transkripcie. V tomto ohľade možno genetický materiál bunky rozdeliť na 3 typy DNA:

1.transkripčne neaktívne

2.neustále vyjadrené

3.indukované hormónmi alebo inými signálnymi molekulami.

IV. Väzba [CP] na akceptor chromatínu

Je potrebné poznamenať, že táto fáza akcie C nebola úplne preskúmaná a má množstvo kontroverzných otázok. Predpokladá sa, že [CP] interaguje so špecifickými oblasťami DNA spôsobom, ktorý umožňuje RNA polymeráze nadviazať kontakt so špecifickými doménami DNA.

Zaujímavý experiment ukázal, že polčas rozpadu mRNA sa zvyšuje, keď je stimulovaná hormónom. To vedie k mnohým rozporom: stáva sa nejasným, že zvýšenie množstva mRNA naznačuje, že [CP] zvyšuje rýchlosť transkripcie alebo predlžuje polčas mRNA; zároveň je predĺženie polčasu mRNA vysvetlené prítomnosťou veľkého počtu ribozómov v bunke stimulovanej hormónmi, ktoré stabilizujú mRNA alebo iným nám v súčasnosti neznámym účinkom [CP].

V. Selektívna iniciácia transkripcie špecifických mRNA; koordinovaná syntéza tRNA a rRNA

Dá sa predpokladať, že hlavným účinkom [CP] je uvoľnenie kondenzovaného chromatínu, čo vedie k otvoreniu prístupu k molekulám RNA polymerázy. Zvýšenie množstva mRNA vedie k zvýšeniu syntézy tRNA a rRNA.

VI. Spracovanie primárnych RNA

VII. Transport mRNA do cytoplazmy

VIII. Syntézy bielkovín

IX. Posttranslačná modifikácia proteínov

Ako však ukazujú výskumy, ide o hlavný, no nie jediný možný mechanizmus účinku hormónov. Napríklad androgény a estrogény spôsobujú zvýšenie cAMP v niektorých bunkách, čo naznačuje, že existujú aj membránové receptory pre steroidné hormóny. To ukazuje, že steroidné hormóny pôsobia na niektoré citlivé bunky, ako sú hormóny rozpustné vo vode.

Sekundárni sprostredkovatelia

Peptidové hormóny, amíny a neurotransmitery sú na rozdiel od steroidov hydrofilné zlúčeniny a nie sú schopné ľahko preniknúť cez plazmatickú membránu bunky. Preto interagujú s membránovými receptormi umiestnenými na povrchu bunky. Interakcia hormón-receptor iniciuje vysoko koordinovanú biologickú reakciu, ktorá môže zahŕňať mnohé bunkové zložky, z ktorých niektoré sú umiestnené v značnej vzdialenosti od plazmatickej membrány.

cAMP je prvou zlúčeninou, ktorú Sutherland, ktorý ju objavil, nazval „druhým poslom“, pretože za „prvého posla“ považoval samotný hormón, ktorý spôsobuje intracelulárnu syntézu „druhého posla“, ktorý sprostredkúva biologický účinok najprv.

Dnes možno pomenovať aspoň 3 typy druhých poslov: 1) cyklické nukleotidy (cAMP a cGMP); 2) Ca ióny a 3) metabolity fosfatidylinozitolu.

Pomocou takýchto systémov spôsobuje malý počet molekúl hormónov, ktoré sa viažu na receptory, produkciu oveľa väčšieho počtu molekúl druhého posla a tie zase ovplyvňujú aktivitu ešte väčšieho počtu molekúl proteínov. Dochádza teda k progresívnemu zosilneniu signálu, ku ktorému spočiatku dochádza, keď sa hormón naviaže na receptor.

TsAMP

Zjednodušene možno pôsobenie hormónu prostredníctvom cAMP znázorniť takto:

1. hormón + stereošpecifický receptor

2. aktivácia adenylátcyklázy

3. tvorba cAMP

4. zabezpečenie cAMP koordinovanej reakcie

Hormón Vonkajšie prostredie

Receptorová membrána

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

Neaktívna proteínkináza

Fosfodiesteráza

Aktívna proteínkináza

Defosfoproteín Fosfoproteín

Fosfoproteín fosfatáza

Biologický účinok

Obr

1. Treba poznamenať, že receptory sú tiež dynamické štruktúry. To znamená, že ich počet sa môže znížiť alebo zvýšiť. Napríklad u ľudí so zvýšenou telesnou hmotnosťou klesá počet inzulínových receptorov. Experimenty ukázali, že keď sa ich hmotnosť normalizuje, zaznamená sa zvýšenie počtu receptorov na normálnu úroveň. Inými slovami, keď sa koncentrácia inzulínu zvyšuje alebo znižuje, dochádza k recipročným zmenám koncentrácie receptora. Predpokladá sa, že tento jav môže chrániť bunku pred príliš intenzívnou stimuláciou, keď je hladina hormónu neprimerane vysoká.

2. Aktivácia adenylátcyklázy (A) je tiež regulovaný proces. Predtým sa verilo, že hormón (G) pri väzbe na receptor (P) mení svoju konformáciu, čo vedie k aktivácii A. Ukázalo sa však, že A je alosterický enzým, ktorý je aktivovaný GTP. GTP transportuje špeciálny proteín (prevodník) G. V tejto súvislosti bol prijatý model, ktorý popisuje nielen aktiváciu A, ale aj ukončenie tohto procesu

a) G + P + G · GDF® G · R · G + GDF

b) G P G + GTP® G + P + G GTP

c) G GTP + A® cAMP + G GDP

Signál, ktorý „vypne“ systém, je teda hydrolýza GTP. Na obnovenie cyklu sa HDF musí odpojiť od G, ku ktorému dochádza, keď sa hormón naviaže na P.

Niektoré faktory majú inhibičný účinok na A a spôsobujú zníženie koncentrácie cAMP. Príklady agonistov stimulujúcich cyklázu zahŕňajú glukagón, ADH, LH, FSH, TSH a ACTH. Faktory, ktoré inhibujú cyklázu, zahŕňajú opioidy, somatostatín, angiotenzín II a acetylcholín. Adrenalín môže tento enzým stimulovať (cez b-receptory) aj inhibovať (cez a-receptory). Vynára sa otázka, ako prebieha obojsmerná regulácia A. Ukázalo sa, že inhibičný systém zahŕňa trojrozmerný proteín, ktorý je extrémne podobný vyššie uvedenému G-proteínu. Gi efekt možno opísať takto:

a) G + P + Gi·GDF® G·R·Gi + GDF

b) GP Gi + GTP® G + P + Gi GTP

c) Gi-GTP + A® cAMP + Gi-GDP

Po fosforylácii enzýmových proteínov počas vyššie opísaných reakcií (pozri obr. 1) sa mení ich konformácia. Následne sa mení aj konformácia ich aktívneho centra, čo vedie k ich aktivácii alebo inhibícii. Ukazuje sa, že vďaka druhému messengerovi cAMP sa v bunke aktivuje alebo inhibuje pôsobenie jemu špecifických enzýmov, čo spôsobuje určitý biologický efekt charakteristický pre túto bunku. V tomto ohľade, napriek veľkému počtu enzýmov, ktoré pôsobia prostredníctvom sekundárneho mediátora cAMP, dochádza v bunke k určitej špecifickej odozve.