Гідрофільні гормони, їх будова та біологічні функції. Кальцій як вторинний посередник Вторинні посередники гормонів

При передачі сигналів у клітині первинними посередниками є хімічні сполуки чи фізичні чинники (квантсвета), здатні активувати механізм передачі сигналу клітині. По відношенню до клітини, що сприймає, первинні посередники є екстраклітинними сигналами. Варто зазначити, що як екстраклітинні стимули можуть виступати і молекули удосталь присутні всередині клітини, але перебувають у нормі в дуже низькій концентрації в міжклітинному просторі (наприклад, АТФіліглутамат). Залежно від функцій первинні посередники можуть бути поділені на кілька груп:

• цитокіни

  нейротрансмітери

  фактори зростання

  хемокіни

Рецептори – Спеціальні білки, що забезпечують отримання клітиною сигналу від первинних посередників. Для цих білків первинні посередники є лігандами.

Для забезпечення рецепторної функції молекули білків повинні відповідати низці вимог:

Володіти високою вибірковістю до ліганду;

Кінетиказв'язування ліганду повинна описуватися кривою з насиченням, що відповідає стану повної зайнятості всіх молекул рецепторів, кількість яких на мембрані обмежена;

Рецептори повинні мати тканинну специфічність, що відображає наявність або відсутність даних функцій у клітинах органу-мішені;

Зв'язування ліганду та його клітинний (фізіологічний) ефект мають бути оборотними, параметри спорідненості повинні відповідати фізіологічним концентраціям ліганду.

Клітинні рецептори поділяються на такі класи:

мембранні

• рецепторні тирозинкінази

  рецептори, пов'язані з G-білками

  іонні канали

цитоплазматичні

Мембранні рецептори розпізнають великі (наприклад інсулін) або гідрофільні (наприклад, адреналін) сигнальні молекули, які не можуть самостійно проникати в клітину. Невеликі гідрофобні сигнальні молекули (наприклад, трийодтиронін, стероїдні гормони, CO, NO) здатні проникати в клітину за рахунок дифузії. Рецептори таких гормонів, зазвичай, є розчинними цитоплазматичними або ядерними білками. Після зв'язування ліганду з рецептором інформація про цю подію передається далі по ланцюгу і призводить до формування первинної та вторинної клітинної відповіді.

Механізми активації рецепторів. Якщо зовнішня сигнальна молекула впливає на рецептори клітинної мембрани та активує їх, то останні передають отриману інформацію на систему білкових компонентів мембрани, звану каскадом передачі сигналу. Мембранні білки каскаду передачі сигналу поділяють на:

білки-перетворювачі, пов'язані з рецепторами

ферменти-підсилювачі, пов'язані з білками-перетворювачами (активують вторинні внутрішньоклітинні посередники, які переносять інформацію всередину клітини).

Так діють рецептори, пов'язані з G-білками. Інші рецептори (іонні канали, рецептори з протеїнкіназною активністю) самі служать помножувачами.

4.3.2. Вторинні посередники

Це низькомолекулярні речовини, які утворюються або вивільняються в результаті ферментативної активності одного з компонентів ланцюга передачі сигналу та сприяють його подальшій передачі та ампліфікації. Вторинні посередники характеризуються такими властивостями: мають невелику молекулярну масу і з високою швидкістю дифундують в цитоплазмі; швидко розщеплюються та швидко видаляються з цитоплазми. До вторинних посередників належать:

Іони кальцію (Ca2+);

циклічний аденозинмонофосфат (цАМФ) та циклічний гуанозинмонофосфат (цГМФ)

інозитолтріфосфат

ліпофільні молекули (наприклад, діацилгліцерол);

оксид азоту(NO) (ця молекула виступає і ролі первинного посередника, проникаючого у клітину ззовні).

Іноді у клітині утворюються і третинні посередники. Так, зазвичай іони Ca2+ виступають у ролі вторинного посередника, але за передачі сигналу з допомогою инозитолтрифосфата (вторинний посередник) що виділяються з його участі з ЭПРионы Ca2+ служать третинним посередником.

Механізм передачі сигналупередбачає приблизно таку схему:

Взаємодія зовнішнього агента (стимулу) з клітинним рецептором,

Активація ефекторної молекули, що знаходиться в мембрані та відповідає за генерацію вторинних посередників,

Освіта вторинних посередників,

Активація посередниками білків-мішеней, що викликають генерацію наступних посередників,

Зникнення посередника.

Передача сигналу у клітині (клітинна сигналізація) - це частина складної системи комунікації, яка керує основними клітинними процесами та координує дії клітини. Можливість клітин коректно відповідати на зміни навколишнього середовища (microenvironment) є основою розвитку, репарації тканин, імунітету та системи підтримки гомеостазу в цілому. Помилки в системах обробки клітинної інформації можуть привести краку, аутоімунним захворюванням діабету. Розуміння механізмів передачі сигналу всередині клітини може призвести до розробки методів лікування захворювань і навіть створення штучних тканин.

Традиційно біологічні дослідження сфокусовані вивчення окремих частин системи передачі сигналу. Знання про компоненти сигнальних систем допомагають зрозуміти загальну структуру сигнальних систем клітини та те, як зміни в них можуть вплинути на передачу та витік інформації. Системи передачі сигналу в клітині є складно організованими комплексами і мають такі якості, як ультрачутливість і бістабільність (можливість перебувати в одному з двох існуючих станів). Аналіз систем передачі сигналу в клітині зачіпає комбінацію експериментальних і теоретичних досліджень, які включають розвиток та аналіз моделей і симуляторів.

Резюме У цьому розділі розглянуто основні закономірності та проблеми молекулярної біології на прикладі явища програмованої клітинної смерті (апоптозу), міжклітинної та внутрішньоклітинної взаємодії, використання молекулярно-генетичних маркерів (на прикладі полімеразно-ланцюгової реакції) у фундаментальних та прикладних цілях.

Контрольні завдання

Походження та еволюція апоптозу у різних груп організмів.

Характеристика та основні шляхи індукції основних фаз апоптозу.

Основні механізми регулювання апоптозу.

Патології обумовлені порушеннями процесу апоптозу.

Основні типи молекулярно-генетичних маркерів.

Історія відкриття, методика проведення полімеразно-ланцюгової реакції.

Особливості проведення та застосування основних різновидів ПЛР.

Значення сигнальної трансдукції при міжклітинних та внутрішньоклітинних взаємодіях.

Механізми активації рецепторних білків.

Механізми передачі сигналів при міжклітинному взаємодії.

Відповідь клітини-мішені на дію гормону формується створенням гормон-рецепторного (ГР) комплексу, що призводить до активації самого рецептора, ініціації відповіді клітини. Гормон адреналін при взаємодії з рецептором відкриває мебранні канали, a Na + - вхідний іонний струм обумовлює функцію клітини. Однак більшість гормонів відкривають або закривають мембранні канали не самостійно, а у взаємодії із G-білком.

Механізм дії гормонів на клітини-мішені пов'язаний з їхньою хімічною будовою:

■ водорозчинні гормони - білки та поліпептиди, а також похідні амінокислоти - катехоламіни, взаємодіють з рецепторами мембрани клітини-мішені, утворюючи комплекс «гормон - рецептор» (ГР). пов'язані зміни функції клітини.Кількість рецепторів на поверхні мембрани клітини-мішені становить приблизно 104-105;

■ жиророзчинні гормони – стероїдні – проходять крізь мембрану клітини-мішені та взаємодіють із плазматичними рецепторами, кількість яких коливається від 3000 до 104, утворюючи комплекс ГР, який далі надходить до мембрани ядра. Стероїдні гормони та похідні амінокислоти тирозину – тироксин та трийодтиронін – проникають через ядерну мембрану та взаємодіють з ядерними рецепторами, з'єднаними з однією або більше хромосом, наслідком чого є зміни синтезу білка в клітині-мішені.

Згідно з сучасними уявленнями, дія гормонів обумовлена ​​стимуляцією або пригніченням каталітичної функції деяких ферментів у клітинах-мішенях. Цей ефект може досягатися двома шляхами:

■ взаємодією гормону з рецепторами поверхні клітинної мембрани та запуску ланцюга біохімічних перетворень у мембрані та цитоплазмі;

■ проникненням гормону через мембрану та зв'язування з рецепторами цитоплазми, після чого гормонрецепторний комплекс проникає в ядро ​​та органели клітини, де й реалізує свій регуляторний ефект шляхом синтезу нових ферментів.

Перший шлях призводить до активації мембранних ферментів та утворення вторинних месенджерів. На сьогодні відомо чотири системи вторинних месенджерів:

■ аденілатциклаза - цАМФ;

■ гуанілатциклаза – цГМФ;

■ фосфоліпаза – інозитолтрифосфат;

■ кальмодулін – іонізований Са 2+.

Другий шлях впливу на клітини-мішені – комплексування гормону з рецепторами, які містяться в ядрі клітини, веде до активації чи гальмування її генетичного апарату.

Мембранні рецептори та вторинні посередники (месенджери)

Гормони, зв'язуючись із рецепторами мембрани клітини-мішені, утворюють комплекс "гормон - рецептор" ГР (крок 1) (рис. 6.3). Конформаційні зміни рецептора активують стимулюючий G-білок (об'єднаний з рецептором), який є комплексом з трьох субодиниць (α-, β-, γ-) і гуанозиндифосфат (ГДФ). заміна

ТАБЛИЦЯ 6.11.Коротка характеристика гормонів

Де продукуються гормони		Назва гормону		скорочена назва	Вплив на клітини-мішені
гіпоталамус		Тиреотропін-рилізинг-гормон			Стимулює продукцію аденогіпофізом тиреотропіну.
гіпоталамус		Кортикотропін-рилізинг-гормон			Стимулює продукцію аденогіпофізом АКТГ
гіпоталамус		Гонадотропін-рилізинг-гормон			Стимулює продукцію аденогіпофізом лютеїнізуючого (ЛГ) та фолікулостимулюючого (ФСП гормонів).
гіпоталамус		Рилізинг-фактор гормону росту			Стимулює продукцію аденогіпофізом соматотропіну - гормону росту
гіпоталамус		соматостатин			Пригнічує продукцію аденогіпофіз гормону росту
гіпоталамус		Пролактин-інгібуючий фактор (допамін)			Пригнічує продукцію аденогіпофізом пролактину.
гіпоталамус		Пролактинстимулюючий фактор			Стимулює продукцію аденогіпофізом пролактину.
гіпоталамус		окситоцин			Стимулює виділення молока, скорочення матки.
гіпоталамус		Вазопресин – антидіуретичний гормон			Стимулює реабсорбцію води у дистальному відділі нефрону.
Передня частка гіпофіза		ТТГ, або тиреостимулюючий гормон		ТТГ або ТГГ	Стимулює синтез та секрецію щитовидної залози тироксину, трийодтироніну.
Передня частка гіпофіза					Стимулює секрецію корою надниркових залоз глюкокортикоїдів (кортизолу).
Передня частка гіпофіза		фолікулостимулюючий гормон			Стимулює зростання фолікулів та секрецію естрогенів яєчниками.
Передня частка гіпофіза		лютеїнізуючий гормон			Стимулює овуляцію, утворення жовтого тіла, а також синтез естрогенів та прогестерону яєчниками.
Передня частка гіпофіза		Гормон росту, або соматотропний гормон			Стимулює синтез білка та зростання в цілому
Передня частка гіпофіза		пролактин			Стимулює продукцію та секрецію молока
Передня частка гіпофіза		β-ліпотропін
Проміжна частка гіпофіза		Мелзнотропін			Стимулює синтез меланіну у риб, амфібій, рептилій (у людей стимулює зростання скелета (осифікація кісток), збільшує інтенсивність метаболізму, теплопродукції, збільшує утилізацію клітинами білків, жирів, вуглеводів, стимулює становлення розумових функцій після народження дитини
щитовидна залоза		L-тироксин
		трийодтиронін
Кора надниркових залоз (сітчаста зона)		статеві гормони			Стимулюють продукцію дигідрогепіандростерону та андростендіону.
Кора надниркових залоз (пучкова зона)		Глюкокортикоїдів (кортизол)			Стимулює глюконеогенез, протизапальну дію, пригнічує імунну систему.
Кора надниркових залоз (клубочкова зона)		альдостерон			Збільшує реабсорбцію іонів Na+, секрецію іонів К+ у канальцях нефрону.
мозкова речовина надниркових залоз		Адреналін, норадреналін			Активація альфа-, бета-адренорецепторів
		естрогени			Зростання та розвиток жіночих статевих органів, проліферативна фаза менструального циклу
		прогестерон			Секреторна фаза менструального циклу
		тестостерон			Сперматогенез, вторинні статеві чоловічі ознаки
Пара щитовидні залози		Парат гормон (паратиреоїдний гормон)			Збільшує концентрацію іонів Са 2+ у крові (демінералізація кісток)
Щитовидна залоза (С-клітини)	кальцитонін					Зменшує концентрацію іонів Ca2+ у крові
Активація у нирках	1,25-дигідроксихолекальциферол (кальцитріол)					Збільшує всмоктування у кишечнику іонів Са 2+
Підшлункова залоза - бета-клітини						Зменшує концентрацію глюкози у крові
Підшлункова залоза - альфа-клітини	глюкагон					Збільшує концентрацію глюкози у крові
плацента	Хоріональний гонадотропін людини					Збільшує синтез естрогену та прогестерону
плацента	Плацентарний лактоген людини					Діє подібно до гормону росту і пролактину під час вагітності.

МАЛ. 6.3. Схема механізму дії гормону з утворенням вторинного внутрішньоклітинного посередника цАМФ.ГДФ – гуаніндифосфат, ГТФ – гуанінтрифосфат

ГДФ на гуанозинтрифосфат ГТФ (крок 2) призводить до відриву α-субодиниці, яка відразу взаємодіє з іншими сигнальними білками, змінюючи активність іонних каналів або клітинних ферментів - аденілатциклази або фосфоліпази С - і функцію клітини.

Дія гормонів на клітини-мішені з утворенням вторинного посередника цАМФ

Активований мембранний фермент аденілатциклаза перетворює АТФ на вторинний посередник - циклічного аденозинмонофосфату цАМФ (крок 3) (див. рис. 6.3), який у свою чергу активує фермент протеїн кіназу А (крок 4), що призводить до фосфорилювання специфічних білків ( Наслідком є ​​зміна фізіологічної функції (крок 6), наприклад, утворення нових мембранних каналів для іонів кальцію, що призводить до зростання сили серцевих скорочень.

Вторинний посередник цАМФ розпадається під впливом ферменту фосфодіестерази в неактивній формі 5"-АМФ.

Деякі гормони (натрійуретичний) взаємодіють із гальмівними G-білками, що призводить до зниження активності мембранних ферментів аденілатциклази, зменшення функції клітини.

Дія гормонів на клітини-мішені з утворенням вторинних посередників – діацилгліцеролу та інозитол-3-фосфат

Гормон утворює комплекс з рецептором мембрани – ОС (крок 1) (рис. 6.4) та через G-білок (крок 2) активує фосфоліпазу С, прикріплену до внутрішньої поверхні рецептора (крок 3).

Під впливом фосфоліпази С, яка гідролізує мембранні фосфоліпіди (фосфатидилінозитолбіфосфат), утворюються два вторинних посередників - діацилгліцерол (ДГ) та інозитол-3-фосфат (ІФ3) (крок 4).

Вторинний посередник ИФ3 мобілізує вихід іонів Са 2+ з мітохондрій та ендоплазматичного ретикулуму (крок 5), які поводяться як вторинні посередники. Іони Ca2+ разом з ДГ (ліпідний вторинний посередник) активують фермент протеїнкіназу С (крок 6), яка фосфорилює білки та викликає зміну фізіологічних функцій клітини-мішені.

Дія гормонів за допомогою систем "кальцій - кальмодулін",який виступає у ролі вторинного посередника. Кальцій при проникненні в клітину зв'язується з кальмодуліном та активує його. Активований кальмодулін, у свою чергу, підвищує активність протеїнкінази, що призводить до фосфорилювання білків, зміни функцій клітини.

Дія гормонів на генетичний апарат клітини

Жиророзчинні стероїдні гормони проходять крізь мембрану клітини-мішені (крок 1) (рис. 6.5), де зв'язуються з білками-рецепторами цитоплазми. Утворений комплекс ГР (крок 2) дифундує в ядро ​​та зв'язується зі специфічними ділянками ДНК хромосоми (крок 3), активуючи процес транскрипції шляхом утворення мРНК (крок 4). мРНК переносить матрицю до цитоплазми, де забезпечує процеси трансляції на рибосомах (крок 5), синтез нових білків (крок 6), що призводить до зміни фізіологічних функцій.

Жиророзчинні тиреоїдні гормони - тироксин і трийодтиронін - проникають у ядро, де зв'язується з білком-рецептором, який є протеїнами, що знаходяться на хромосомах ДНК. Ці рецептори контролюють функцію як промоутерів, і операторів генів.

Гормони активують генетичні механізми, що у ядрі, завдяки чому виробляється понад 100 типів клітинних білків. Багато хто з них є ферментами, які підвищують метаболічну активність клітин організму. Одноразово прореагувавши з внутрішньоклітинними рецепторами, тиреоїдні гормони забезпечують контроль експресії гена кілька тижнів.

Системами вторинних посередників дії гормонів є:

1. Аденілатциклаза та циклічний АМФ,

2. Гуанілатциклаза та циклічний ГМФ,

3. Фосфоліпаза С:

Діацилгліцерол(ДАГ),

Інозитол-три-фсфат (ІФ3),

4. Іонізований Ca – кальмодулін

Гетеротромний білок G-білок.

Цей білок утворює в мембрані петлі та має 7 сегментів. Їх порівнюють із серпантиновими стрічками. Має виступаючу (зовнішню) та внутрішню частини. До зовнішньої частини приєднується гормон, а на внутрішній поверхні є 3 субодиниці – альфа, бета та гама. У неактивному стані цей білок має гуанозиндіфосфат. Але за активації гуанозиндифосфат змінюється на гуанозинтрифосфат. Зміна активності G-білка призводить або зміни іонної проникності мембрани, або в клітині активується ферментна система (аденилатциклаза, гуанілатциклаза, фосфоліпаза С). Це викликає утворення специфічних білків, активується протеїнкіназа (необхідна для процесів фосфолілювання).

G-білки можуть бути активуючими (Gs) та інгібуючими, або по-іншому, що гальмують (Gi).

Руйнування циклічного АМФ відбувається під дією ферменту фосфодіестерази. Циклічний ГМФ має протилежну дію. При активації фосфоліпази C утворюються речовини, що сприяють накопиченню всередині клітини іонізованого кальцію. Кальцій активує протеїнцинази, сприяє м'язовому скороченню. Діацилгліцерол сприяє перетворенню фосфоліпідів мембрани на арахідонову кислоту, яка є джерелом утворення простагландинів та лейкотрієнів.

Гормонрецепторний комплекс проникає в ядро ​​і діє на ДНК, що змінює процеси транскрипції та утворюється мРНК, яка виходить із ядра і йде до рибосом.

Отже, гормони можуть надавати:

1. Кінетична або пускова дія,

2. Метаболічна дія,

3.Морфогенетична дія (диференціювання тканин, ріст, метаморфоз),

4. Коригувальна дія (що виправляє, пристосовує).

Механізми дії гормонів у клітинах:

Зміна проникності клітинних мембран,

Активація або пригнічення ферментних систем,

Вплив генетичну інформацію.

Регуляція будується на тісній взаємодії ендокринної та нервової системи. Процеси збудження в нервовій системі можуть активувати або гальмувати діяльність ендокринних залоз. (Розглянемо, напр., Процес овуляції у кролика. Овуляція у кролика настає тільки після акту спарювання, який стимулює виділення гонадотропного гормону гіпофіза. Останній викликає процес овуляції).

Після перенесення психічних травм може виникати тиреотоксикоз. Нервова система контролює виділення гормонів гіпофіза (нейрогормону), а гіпофіз впливає активність інших залоз.

Мають місце механізми зворотного зв'язку. Накопичення в організмі гормону призводить до гальмування вироблення цього гормону відповідною залозою, а недолік буде механізмом стимуляції утворення гормону.

Існує механізм саморегуляції. (Напр., вміст глюкози в крові визначає вироблення інсуліну та (або) глюкагону; якщо рівень цукру підвищується виробляється інсулін, а якщо знижується - глюкагон. Нестача Na стимулює вироблення альдостерону).

5. Гіпоталамо-гіпофізарна система. Її функціональна організація. Нейросекреторні клітини гіпоталамуса. Характеристика тропних гормонів та рилізинг-гормонів (ліберинів, статинів). Епіфіз (шишкоподібне залізо).

6. Аденогіпофіз, зв'язок його з гіпоталамусом. Характер дії гормонів передньої частки гіпофіза. Гіпо-і гіперсекреція гормонів аденогіпофіза. Вікові зміни утворення гормонів передньої частки.

Клітини аденогіпофіза (їх будову і склад дивіться в курсі гістології) продукують наступні гормони: соматотропін (гормон росту), пролактин, тиротропін (тиреотропний гормон), фолікулостимулюючий гормон, лютеїнізуючий гормон, кортикотропін (АКТГ), меланотропін, меланотропін екзофтальмічний фактор та гормон росту яєчників. Розглянемо докладніше ефекти деяких із них.

Кортикотропін . (Адренокортикотропний гормон - АКТГ) секретується аденогіпофізом безперервно пульсуючими спалахами, що мають чітку добову ритмічність. Секреція кортикотропіну регулюється прямими та зворотними зв'язками. Прямий зв'язок представлений пептидом гіпоталамуса - кортиколіберином, що посилює синтез та секрецію кортикотропіну. Зворотні зв'язки запускаються вмістом у крові кортизолу (гормон кори надниркових залоз) і замикаються як на рівні гіпоталамуса, так і аденогіпофіза, причому приріст концентрації кортизолу гальмує секрецію кортиколіберину та кортикотропіну.

Кортикотропін має два типи дії - надниркових і позанадниркових. Наднирникова дія є основною і полягає в стимуляції секреції глюкокортикоїдів, значно меншою мірою - мінералокортикоїдів та андрогенів. Гормон посилює синтез гормонів у корі надниркових залоз - стероїдогенез та синтез білка, призводячи до гіпертрофії та гіперплазії кори надниркових залоз. Позаниркова ниркова дія полягає в ліполізі жирової тканини, підвищенні секреції інсуліну, гіпоглікемії, підвищеному відкладенні меланіну з гіперпігментацією.

Надлишок кортикотропіну супроводжується розвитком гіперкортицизму з переважним збільшенням секреції кортизолу і зветься "хвороба Іценка-Кушинга". Основні прояви типові для надлишку глюкокортикоїдів: ожиріння та інші метаболічні зрушення, зниження ефективності механізмів імунітету, розвиток артеріальної гіпертензії та можливості виникнення діабету. Дефіцит кортикотропіну викликає недостатність глюкокортикоїдної функції надниркових залоз з вираженими метаболічними зрушеннями, а також падіння стійкості організму до несприятливих умов середовища.

Соматотропін. . Соматотропний гормон має широкий спектр метаболічних ефектів, що забезпечують морфогенетичну дію. На білковий обмін гормон впливає, посилюючи анаболічні процеси. Він стимулює надходження амінокислот у клітини, синтез білка за рахунок прискорення трансляції та активації синтезу РНК, збільшує розподіл клітин та зростання тканин, пригнічує протеолітичні ферменти. Стимулює включення сульфату в хрящі, тимідину в ДНК, проліну в колаген, уридину в РНК. Гормон викликає позитивний баланс азоту. Стимулює зростання епіфізарних хрящів та їх заміну кістковою тканиною, активуючи лужну фосфатазу.

Дія на вуглеводний обмін подвійно. З одного боку, соматотропін підвищує продукцію інсуліну як через прямий ефект на бета клітини, так і через гіперглікемію, що викликається гормоном, обумовлену розпадом глікогену в печінці і м'язах. Соматотропін активує інсуліназ печінки - фермент, що руйнує інсулін. З іншого боку, соматотропін має контраінсулярну дію, пригнічуючи утилізацію глюкози в тканинах. Зазначене поєднання ефектів за наявності схильності в умовах надлишкової секреції може викликати цукровий діабет, за походженням, що називається гіпофізарним.

Дія на жировий обмін полягає у стимуляції ліполізу жирової тканини та ліполітичного ефекту катехоламінів, підвищенні рівня вільних жирних кислот у крові; через надмірне надходження їх у печінку та окислення підвищується утворення кетонових тіл. Ці впливи соматотропіну також відносять до діабетогенних.

Якщо надлишок гормону виникає у ранньому віці, формується гігантизм із пропорційним розвитком кінцівок та тулуба. Надлишок гормону в юнацькому та зрілому віці викликає посилення зростання епіфізарних ділянок кісток скелета, зон із незавершеним окостенінням, що отримало назву акромегалія. . Збільшуються у розмірах і внутрішні органи – спланхомегалія.

При вродженому дефіциті гормону формується карликовість, що отримала назву "гіпофізарний нанізм". Таких людей після виходу у світ роману Дж. Свіфта про Гулівера називають у розмовній промові ліліпутами. В інших випадках набутий дефіцит гормону викликає не різко виражене відставання у рості.

Пролактін . Секреція пролактину регулюється гіпоталамічними пептидами – інгібітором пролактиностатином та стимулятором пролактоліберином. Продукція гіпоталамічних нейропептидів знаходиться під дофамінергічним контролем. На величину секреції пролактину впливає рівень крові естрогенів, глюкокортикоїдів.

та тиреоїдних гормонів.

Пролактин специфічно стимулює розвиток молочних залоз та лактацію, але не його виділення, яке стимулюється окситоцином.

Крім молочних залоз, пролактин впливає на статеві залози, сприяючи підтримці секреторної активності жовтого тіла та утворенню прогестерону. Пролактин є регулятором водно-сольового обміну, зменшуючи екскрецію води та електролітів, потенціює ефекти вазопресину та альдостерону, стимулює зростання внутрішніх органів, еритропоезу, сприяє прояву інстинкту материнства. Крім посилення синтезу білка, збільшує утворення жиру з вуглеводів, сприяючи післяпологовому ожирінню.

Меланотропін . . Утворюється у клітинах проміжної частки гіпофіза. Продукція меланотропіну регулюється меланоліберином гіпоталамуса. Основний ефект гормону полягає у дії на меланоцити шкіри, де він викликає депресію пігменту у відростках, збільшення вільного пігменту в епідермісі, що оточує меланоцити, підвищення синтезу меланіну. Збільшує пігментацію шкіри та волосся.

Нейрогіпофіз, зв'язок його з гіпоталамусом. Ефекти гормонів задньої частки гіпофіза (оксигоцину, АДГ). Роль АДГ у регуляції обсягу рідини в організмі. Нецукрове сечовиснаження.

Вазопресин . . Утворюється в клітинах супраоптичного та паравентрикулярного ядер гіпоталамуса та накопичується у нейрогіпофізі. Основні стимули, що регулюють синтез вазопресину в гіпоталамусі та його секрецію в кров гіпофізом, загалом можуть бути названі осмотичними. Вони представлені: а) підвищенням осмотичного тиску плазми крові та стимуляцією осморецепторів судин та нейронів-осморецепторів гіпоталамуса; б) підвищенням у крові вмісту натрію та стимуляцією гіпоталамічних нейронів, що виконують роль рецепторів натрію; в) зменшенням центрального об'єму циркулюючої крові та артеріального тиску, що сприймаються волюморецепторами серця та механорецепторами судин;

г) емоційно-больовим стресом та фізичним навантаженням; д) активацією ренін-ангіотензинової системи та стимулюючим нейросекреторні нейрони впливом ангіотензину.

Ефекти вазопресину реалізуються за рахунок зв'язування гормону в тканинах із двома типами рецепторів. Зв'язування з рецепторами Y1-типу, переважно локалізованими у стінці кровоносних судин, через вторинні посередники інозитолтрифосфат та кальцій викликає судинний спазм, що сприяє назві гормону – "вазопресин". Зв'язування з рецепторами Y2-типу в дистальних відділах нефрону через вторинний посередник ц-АМФ забезпечує підвищення проникності збірних трубочок нефрону для води, її реабсорбцію та концентрацію сечі, що відповідає другій назві вазопресину – "антидіуретичний гормон, АДГ".

Крім дії на нирку та кровоносні судини, вазопресин є одним з важливих мозкових нейропептидів, що беруть участь у формуванні спраги та питної поведінки, механізмах пам'яті, регуляції секреції аденогіпофізарних гормонів.

Недолік або навіть повна відсутність секреції вазопресину проявляється у вигляді різкого посилення діурезу із виділенням великої кількості гіпотонічної сечі. Цей синдром отримав назву " нецукровий діабет", він буває вродженим або набутим. Синдром надлишку вазопресину (синдром Пархону) проявляється

у надмірній затримці рідини в організмі.

Окситоцин . Синтез окситоцину в паравентрикулярних ядрах гіпоталамуса та виділення його в кров із нейрогіпофіза стимулюється рефлекторним шляхом при подразненні рецепторів розтягування шийки матки та рецепторів молочних залоз. Підвищують секрецію окситоцину естрогени.

Окситоцин викликає такі ефекти: а) стимулює скорочення гладкої мускулатури матки, сприяючи пологам; б) викликає скорочення гладком'язових клітин вивідних проток лактуючої молочної залози, забезпечуючи викид молока; в) має за певних умов діуретичну та натріуретичну дію; г) бере участь в організації питної та харчової поведінки; д) є додатковим фактором регулювання секреції аденогіпофізарних гормонів.

Короткий опис:

Навчальний матеріал з біохімії та молекулярної біології: Будова та функції біологічних мембран.

МОДУЛЬ 4: БУДОВА ТА ФУНКЦІЇ БІОЛОГІЧНИХ МЕМБРАН

_Теми _

4.1. Загальна характеристика мембран. Будова та склад мембран

4.2. Транспорт речовин через мембрани

4.3. Трансмембранна передача сигналів _

Цілі вивчення Вміти:

1. Інтерпретувати роль мембран у регуляції метаболізму, транспортуванні речовин у клітину та видаленні метаболітів.

2. Пояснювати молекулярні механізми дії гормонів та інших сигнальних молекул на органи-мішені.

Знати:

1. Будова біологічних мембран та його роль обміні речовин та енергії.

2. Основні методи перенесення речовин через мембрани.

3. Головні компоненти та етапи трансмембранної передачі сигналів гормонів, медіаторів, цитокінів, ейкозаноїдів.

ТЕМА 4.1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА МЕМБРАН.

БУДОВА ТА СКЛАД МЕМБРАН

Всі клітини та внутрішньоклітинні органели оточені мембранами, які відіграють важливу роль у їх структурній організації та функціонуванні. Основні засади побудови всіх мембран однакові. Однак плазматична мембрана, а також мембрани ендоплазматичного ретикулума, апарату Гольджі, мітохондрій та ядра мають суттєві структурні особливості, вони унікальні за своїм складом та за характером виконуваних функцій.

Мембрани:

Відокремлюють клітини від навколишнього середовища та ділять її на компартменти (відсіки);

Регулюють транспорт речовин у клітини та органели та у зворотному напрямку;

Забезпечують специфіку міжклітинних контактів;

Сприймають сигнали із зовнішнього середовища.

Узгоджене функціонування мембранних систем, що включають рецептори, ферменти, транспортні системи, допомагає підтримувати гомеостаз клітини та швидко реагувати на зміни стану довкілля шляхом регуляції метаболізму всередині клітин.

Біологічні мембрани побудовані з ліпідів та білків, пов'язаних один з одним за допомогою нековалентнихвзаємодій. Основу мембрани складає подвійний ліпідний шар,до складу якого включено білкові молекули (рис. 4.1). Ліпідний бислой утворений двома рядами амфіфільнихмолекул, гідрофобні «хвости» яких заховані всередину, а гідрофільні групи – полярні «головки» звернені назовні та контактують із водним середовищем.

1. Ліпіди мембран.До складу ліпідів мембран входять як насичені, і ненасичені жирні кислоти. Ненасичені жирні кислоти зустрічаються вдвічі частіше, ніж насичені, що визначає плинністьмембран та конформаційну лабільність мембранних білків.

У мембранах присутні ліпіди трьох головних типів – фосфоліпіди, гліколіпіди та холестерол (рис. 4.2 – 4.4). Найчастіше зустрічаються гліцерофосфоліпіди – похідні фосфатидної кислоти.

Мал. 4.1. Поперечний розріз плазматичної мембрани

Мал. 4.2. Гліцерофосфоліпіди.

Фосфатидна кислота – це діацилгліцеролфосфат. R 1 , R 2 - радикали жирних кислот (гідрофобні "хвости"). З другим вуглецевим атомом гліцеролу пов'язаний залишок поліненасиченої жирної кислоти. Полярною «головкою» є залишок фосфорної кислоти та приєднана до нього гідрофільна група серину, холіну, етаноламіну або інозитолу

Існують також ліпіди – похідні аміноспирту сфінгозину.

Аміноспирт сфінгозин під час ацилювання, тобто. приєднання жирної кислоти до NH 2 -групи, перетворюється на церамід. Цераміди розрізняються по залишку жирної кислоти. З ОН-групою цераміду можуть бути пов'язані різні полярні групи. Залежно від будови полярної «головки» ці похідні поділені на дві групи – фосфоліпіди та гліколіпіди. Будова полярної групи сфінгофосфоліпідів (сфінгомієлінів) подібна до гліцерофосфоліпідів. Багато сфінгомієлінів міститься у складі мієлінових оболонок нервових волокон. Гліколіпіди є вуглеводні похідні цераміду. Залежно від будови вуглеводної складової розрізняють цереброзиди та гангліозиди.

Холестеролміститься в мембранах всіх тварин клітин, він надає мембранам жорсткості та знижує їх рідинність(плинність). Молекула холестеролу розташовується в гідрофобній зоні мембрани паралельно гідрофобним "хвостам" молекул фосфо-і гліколіпідів. Гідроксильна група холестеролу, як і гідрофільні «головки» фосфо- та гліколіпідів,

Мал. 4.3. Похідні аміноспирту сфінгозину.

Церамід - ацильований сфінгозин (R 1 - радикал жирної кислоти). До фосфоліпідів належать сфінгомієліни, у яких полярна група складається з залишку фосфорної кислоти та холіну, етаноламіну або серину. Гідрофільною групою (полярною «головкою») гліколіпідів є вуглеводний залишок. Цереброзиди містять моноілі олігосахаридний залишок лінійної будови. До складу гангліозидів входить розгалужений олігосахарид, однією з мономерних ланок якого є НАНК - N-ацетилнейрамінова кислота

звернена до водної фази. Молярне співвідношення холестеролу та інших ліпідів у мембранах дорівнює 0,3-0,9. Найвище значення має ця величина для цитоплазматичної мембрани.

Збільшення вмісту холестеролу в мембранах зменшує рухливість ланцюгів жирних кислот, що впливає на конформаційну лабільність мембранних білків та знижує можливість їх латеральної дифузії.При підвищенні плинності мембран, спричинених дією на них ліпофільних речовин або перекисним окисленням ліпідів, частка холестеролу в мембранах зростає.

Мал. 4.4. Положення в мембрані фосфоліпідів та холестеролу.

Молекула холестеролу складається з жорсткого гідрофобного ядра та гнучкого вуглеводневого ланцюга. Полярною «головкою» є ОН-група у 3-го вуглецевого атома молекули холестеролу. Для порівняння малюнку представлено схематичне зображення фосфоліпіду мембран. Полярна головка цих молекул значно більша і має заряд.

Ліпідний склад мембран різний, вміст того чи іншого ліпіду, мабуть, визначається різноманітністю функцій, які виконують ці молекули у мембранах.

Основні функції ліпідів мембран полягають у тому, що вони:

Формують ліпідний бішар - структурну основу мембран;

Забезпечують необхідне для функціонування мембранних білків середовище;

Беруть участь у регуляції активності ферментів;

Служать "якорем" для поверхневих білків;

Беруть участь у передачі гормональних сигналів.

Зміна структури ліпідного бісла може призвести до порушення функцій мембран.

2. Білки мембран.Білки мембран розрізняються за своїм становищем у мембрані (рис. 4.5). Мембранні білки, що контактують з гідрофобною областю ліпідного бислоя, мають бути амфіфільними, тобто. мати неполярний домен. Амфіфільність досягається завдяки тому, що:

Амінокислотні залишки, що контактують з ліпідним бислоем, переважно неполярні;

Багато мембранних білків ковалентно пов'язані з залишками жирних кислот (ацильовані).

Ацильні залишки жирних кислот, приєднані до білка, забезпечують його «заякорення» в мембрані та можливість латеральної дифузії. Крім того, білки мембран піддаються таким посттрансляційним модифікаціям, як глікозилювання та фосфорилювання. Глікозилювання зовнішньої поверхні інтегральних білків захищає їхню відмінність від ушкодження протеазами міжклітинного простору.

Мал. 4.5. Білки мембран:

1, 2 - інтегральні (трансмембранні) білки; 3, 4, 5, 6 – поверхневі білки. В інтегральних білках частина поліпептидного ланцюга занурена в ліпідний шар. Ті ділянки білка, які взаємодіють із вуглеводневими ланцюгами жирних кислот, містять переважно неполярні амінокислоти. Ділянки білка, що знаходяться в ділянці полярних «головок», збагачені гідрофільними амінокислотними залишками. Поверхневі білки у різний спосіб прикріплюються до мембрани: 3 - пов'язані з інтегральними білками; 4 - приєднані до полярних «головок» ліпідного шару; 5 - «заякорені» у мембрані за допомогою короткого гідрофобного кінцевого домену; 6 - «заякорені» в мембрані за допомогою ковалентно зв'язаного ацильного залишку

Зовнішній та внутрішній шари однієї і тієї ж мембрани розрізняються за складом ліпідів та білків. Ця особливість у будові мембран називається трансмембранною асиметрією.

Білки мембран можуть брати участь у:

Виборчому транспорті речовин у клітину та з клітини;

Передача гормональних сигналів;

Утворенні «окаймлених ямок», що беруть участь в ендоцитозі та екзоцитозі;

імунологічних реакціях;

Якість ферментів у перетвореннях речовин;

Організації міжклітинних контактів, які забезпечують утворення тканин та органів.

ТЕМА 4.2. ТРАНСПОРТ РЕЧОВИН ЧЕРЕЗ МЕМБРАНИ

Одна з головних функцій мембран - регуляція перенесення речовин у клітину та з клітини, утримання речовин, які потрібні клітині та виведення непотрібних. Транспорт іонів, органічних молекул через мембрани може проходити по градієнту концентрації - пасивний транспорті проти градієнта концентрації - активний транспорт.

1. Пасивний транспортможе здійснюватися такими способами (рис. 4.6, 4.7):

Мал. 4.6. Механізми перенесення речовин через мембрани за градієнтом концентрації

До пасивного транспорту належить дифузія іонів по білкових каналах,наприклад, дифузія Н+, Са 2 +, N+, К+. Функціонування більшості каналів регулюється специфічними лігандами чи зміною трансмембранного потенціалу.

Мал. 4.7. Са 2 +-канал мембрани ендоплазматичного ретикулума, регульований інозитол-1,4,5-трифосфатом (ІФ 3).

ІФ 3 (інозитол-1,4,5-трифосфат) утворюється при гідролізі мембранного ліпіду ФІФ 2 (фосфатидилінозитол-4,5-бісфосфату) під дією ферменту фосфоліпази С. ІФ 3 зв'язується специфічними центрами протомерів Са 2+- каналу. Змінюється конформація білка і канал відкривається - Са 2+ надходить у цитозоль клітини за градієнтом концентрації

2. Активний транспорт. Первинно-активнийтранспорт відбувається проти градієнта концентрації з витратою енергії АТФ за участю транспортних АТФаз, наприклад, Na+, К+-АТФаза, Н+-АТФаза, Са 2 +-АТФаза (рис. 4.8). Н+-АТФази функціонують як протонні насоси, за допомогою яких створюється кисле середовище у лізосомах клітини. За допомогою Са 2+ -АТФази цитоплазматичної мембрани та мембрани ендоплазматичного ретикулуму підтримується низька концентрація кальцію в цитозолі клітини та створюється внутрішньоклітинне депо Са 2+ у мітохондріях та ендоплазматичному ретикулумі.

Вторинно-активнийтранспорт відбувається за рахунок градієнта концентрації однієї з речовин, що переносяться (рис. 4.9), який створюється найчастіше Na+, К+-АТФазою, що функціонує з витратою АТФ.

Приєднання до активного центру білка-переносника речовини, концентрація якого вище, змінює його конформацію та збільшує спорідненість до сполуки, яка проходить у клітину проти концентрації градієнта. Вторинно-активний транспорт буває двох типів: активний сімпорті антипорт.

Мал. 4.8. Механізм функціонування Са 2 +-АТФази

Мал. 4.9. Вторинно-активний транспорт

3. Перенесення макромолекул та частинок за участю мембран – ендоцитоз та екзоцитоз.

Перенесення із позаклітинного середовища в клітину макромолекул, наприклад білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів або ще більших частинок відбувається шляхом ендоцитозу.Зв'язування речовин або високомолекулярних комплексів відбувається у певних ділянках плазматичної мембрани, які називаються облямованими ямками.Ендоцитоз, що відбувається за участю рецепторів, вбудованих в облямовані ямки, дозволяє клітинам поглинати специфічні речовини і називається рецептор-залежним ендоцитозом.

Макромолекули, наприклад пептидні гормони, травні ферменти, білки позаклітинного матриксу, ліпопротеїнові комплекси секретуються в кров або міжклітинний простір шляхом екзоцитозу.Цей спосіб транспорту дозволяє виводити із клітини речовини, які накопичуються в секреторних гранулах. Найчастіше екзоцитоз регулюється шляхом зміни концентрації іонів кальцію в цитоплазмі клітин.

ТЕМА 4.3. ТРАНСМЕМБРАННА ПЕРЕДАЧА СИГНАЛІВ

Важлива властивість мембран - здатність сприймати та передавати всередину клітини сигнали з навколишнього середовища. Сприйняття клітинами зовнішніх сигналів відбувається за їх взаємодії з рецепторами, які у мембрані клітин-мішеней. Рецептори, приєднуючи сигнальну молекулу, активують внутрішньоклітинні шляхи передачі, це призводить до зміни швидкості різних метаболічних процесів.

1. Сигнальна молекула,специфічно взаємодіє з мембранним рецептором, називається первинним месенджером.Як первинні месенджери виступають різні хімічні сполуки - гормони, нейромедіатори, ейкозаноїди, ростові фактори або фізичні фактори, наприклад квант світла. Рецептори клітинної мембрани, активовані первинними месенджерами, передають отриману інформацію системі білків та ферментів, що утворюють каскад передачі сигналу,забезпечує посилення сигналу в кілька сотень разів. Час відповіді клітини, що полягає в активації або інактивації метаболічних процесів, скорочення м'язів, транспорту речовин з клітин-мішеней, може становити кілька хвилин.

Мембранні рецепториподіляються на:

Рецептори, що містять субодиницю, що зв'язує первинний месенджер, та іонний канал;

Рецептори, здатні виявляти каталітичну активність;

Рецептори, які за допомогою G-білків активують утворення вторинних (внутрішньоклітинних) месенджерів, що передають сигнал специфічним білкам та ферментам цитозолю (рис. 4.10).

Вторинні месенджери мають невелику молекулярну масу, з високою швидкістю дифундують у цитозолі клітини, змінюють активність відповідних білків, а потім швидко розщеплюються або видаляються з цитозолю.

Мал. 4.10. Рецептори, локалізовані у мембрані.

Мембранні рецептори можна поділити на три групи. Рецептори: 1 - містять субодиницю, що зв'язує сигнальну молекулу та іонний канал, наприклад, рецептор ацетилхоліну на постсинаптичній мембрані; 2 - виявляють каталітичну активність після приєднання сигнальної молекули, наприклад, рецептор інсуліну; 3, 4 - передавальні сигнали на фермент аденілатциклазу (АЦ) або фосфоліпазу С (ФЛС) за участю мембранних G-білків, наприклад різні типи рецепторів адреналіну, ацетилхоліну та інших сигнальних молекул

Роль вторинних месенджеріввиконують молекули та іони:

ЦАМФ (циклічний аденозин-3",5"-монофосфат);

ЦГМФ (циклічний гуанозин-3",5"-монофосфат);

ІФ 3 (інозитол-1,4,5-трифосфат);

ДАГ (діацилгліцерол);

Існують гормони (стероїдні та тиреоїдні), які, проходячи ліпідний бислой, проникають у клітинуі взаємодіють з внутрішньоклітинними рецепторами.Фізіологічно важливою різницею між мембранними і внутрішньоклітинними рецепторами є швидкість відповіді на сигнал, що надходить. У першому випадку ефект буде швидким та нетривалим, у другому – повільним, але тривалим.

Рецептори, пов'язані з G-білками

Взаємодія гормонів з рецепторами, пов'язаними з G-білками, призводить до активації інозитолфосфатної системи трансдукції сигналу або зміни активності аденілатциклазної регуляторної системи.

2. Аденілатциклазна системавключає (рис. 4.11):

- інтегральнібілки цитоплазматичної мембрани:

R s – рецептор первинного месенджера – активатора аденілатциклазної системи (АЦС);

R; - рецептор первинного месенджера – інгібітора АЦС;

Фермент аденілатциклаз (АЦ).

- «заякорені»білки:

G s - ГТФ-зв'язуючий білок, що складається з α,βγ-субодиниць, в якому (α,-субодиниця пов'язана з молекулою ГДФ;

Мал. 4.11. Функціонування аденілатциклазної системи

G; - ГТФ-зв'язуючий білок, що складається з αβγ-субодиниць, в якому а; -субодиниця пов'язана з молекулою ГДФ; - цитозольнийфермент протеїнкіназу А (ПКА).

Послідовність подій передачі сигналу первинних месенджерів за допомогою аденілатциклазної системи

Рецептор має центри зв'язування первинного месенджера на зовнішній поверхні мембрани та G-білка (α,βγ-ГДФ) на внутрішній поверхні мембрани. Взаємодія активатора аденілатциклазної системи, наприклад, гормону з рецептором (R s), призводить до зміни конформації рецептора. Збільшується спорідненість рецептора до G-білка. Приєднання комплексу гормон-рецептор до GS-ГДФ знижує спорідненість α-субодиниці G..-білка до ГДФ і збільшує спорідненість до ГТФ. В активному центрі α-субодиниці ГДФ заміщається на ГТФ. Це викликає зміну конформації субодиниці α і зниження її спорідненості до субодиниця βγ. Субодиниця α,-ГТФ, що відокремилася, латерально переміщається в ліпідному шарі мембрани до ферменту аденілатциклазі.

Взаємодія α,-ГТФ з регуляторним центром аденілатциклази змінює конформацію ферменту, призводить до його активації та збільшення швидкості утворення вторинного месенджера - циклічного аденозин-3",5"-монофосфату (цАМФ) з АТФ. У клітині підвищується концентрація цАМФ. Молекули цАМФ можуть оборотно з'єднуватися з регуляторними субодиницями протеїнкінази А (ПКА), яка складається з двох регуляторних (R) та двох каталітичних (С) субодиниць - (R 2 С 2). Комплекс R 2 З 2 ферментативної активністю не має. Приєднання цАМФ до регуляторних субодиниць викликає зміну їх конформації та втрату комплементарності до С-субодиниця. Каталітичні субодиниці набувають ферментативної активності.

Активна протеїнкіназа А за допомогою АТФ фосфорилює специфічні білки по залишках серину та треоніну. Фосфорилювання білків і ферментів підвищує або знижує їхню активність, тому змінюється швидкість метаболічних процесів, в яких вони беруть участь.

Активація сигнальною молекулою рецептора R стимулює функціонування Gj-білка, яке протікає за тими самими правилами, що і для G-білка. Але при взаємодії субодиниці αi-ГТФ з аденілатциклазою активність ферменту знижується.

Інактивація аденілатциклази та протеїнкінази А

α,-субодиниця в комплексі з ГТФ при взаємодії з аденілатциклазою починає проявляти ферментативну (ГТФ-фосфатазну) активність, вона гідролізує ГТФ. Утворена молекула ГДФ залишається в активному центрі α-субодиниці, змінює її конформацію і зменшує спорідненість до АЦ. Комплекс АЦ та α,-ГДФ дисоціює, α,-ГДФ включається до G..-білок. Відділення α-ГДФ від аденілатциклази інактивує фермент і синтез цАМФ припиняється.

Фосфодіестераза- «заякорений» фермент цитоплазматичної мембрани гідролізує молекули цАМФ, що утворилися раніше, до АМФ. Зниження концентрації цАМФ у клітині викликає розщеплення комплексу цАМФ 4 К" 2 і підвищує спорідненість R-і С-субодиниць, утворюється неактивна форма ПКА.

Фосфорильовані ферменти та білки під дією фосфопротеїнфосфатазипереходять у дефосфорильовану форму, змінюється їх конформація, активність та швидкість процесів, у яких беруть участь ці ферменти. В результаті система входить у вихідний стан і готова знову активуватися при взаємодії гормону з рецептором. Таким чином, забезпечується відповідність вмісту гормону в крові та інтенсивності відповіді клітин-мішеней.

3. Участь аденілатциклазної системи у регуляції експресії генів.Багато білкових гормонів: глюкагон, вазопресин, паратгормон та ін., що передають свій сигнал за допомогою аденілатциклазної системи, можуть не тільки викликати зміну швидкості реакцій шляхом фосфорилювання вже наявних у клітині ферментів, але і збільшувати або зменшувати їх кількість, регулюючи експресію генів (рис. 4.1). ). Активна протеїнкіназа А може проходити в ядро ​​та фосфорилювати фактор транскрипції (СРЄВ). Приєднання фосфорного

Мал. 4.12. Аденілатциклазний шлях, що призводить до експресії специфічних генів

залишку підвищує спорідненість фактора транскрипції (СРЕВ-(Р) до специфічної послідовності регуляторної зони ДНК-СRЕ (цАМФ-response element) і стимулює експресію генів певних білків.

Синтезовані білки можуть бути ферментами, збільшення кількості яких підвищує швидкість реакцій метаболічних процесів, або мембранними переносниками, що забезпечують надходження або вихід з клітин певних іонів, води або інших речовин.

Мал. 4.13. Інозитолфосфатна система

Роботу системи забезпечують білки: кальмодулін, фермент протеїнкіназа С, Са2+-кальмодулін-залежні протеїнкінази, регульовані Са2+-канали мембрани ендоплазматичного ретикулуму, Са2+-АТФази клітинної та мітохондріальної мембран.

Послідовність подій передачі сигналу первинних месенджерів за допомогою інозитолфосфатної системи

Зв'язування активатора інозитолфосфатної системи з рецептором (R) призводить до зміни його конформації. Підвищується спорідненість рецептора до Gф лс-білку. Приєднання комплексу первинний месенджер-рецептор до Gф лс-ГДФ знижує спорідненість аф лс-субодиниці до ГДФ і збільшує спорідненість до ГТФ. В активному центрі аф лс-субодиниці ГДФ заміщається на ГТФ. Це викликає зміну конформації субодиниці аф лс і зниження спорідненості до субодиницям βγ, відбувається дисоціація Gф лс -білка. Відокремлена субодиниця аф лс -ГТФ латерально переміщається мембраною до ферменту фосфоліпаз С.

Взаємодія аф лс -ГТФ з центром зв'язування фосфоліпази С змінює конформацію та активність ферменту, зростає швидкість гідролізу фосфоліпіду клітинної мембрани - фосфатидилінозитол-4,5-бісфосфату (ФІФ 2) (рис. 4.14).

Мал. 4.14. Гідроліз фосфатидилінозитол-4,5-бісфосфату (ФІФ 2)

У ході реакції утворюються два продукти - вторинні вісники гормонального сигналу (вторинні месенджери): діацилгліцерол, який залишається в мембрані та бере участь в активації ферменту протеїнкінази С, та інозитол-1,4,5-трифосфат (ІФ 3), який є гідрофільною сполукою іде в цитозоль. Таким чином сигнал, прийнятий рецептором клітини, роздвоюється. ІФ 3 зв'язується специфічними центрами Са 2+ - каналу мембрани ендоплазматичного ретикулума (Е)), що призводить до зміни конформації білка та відкриття Са 2+ -каналу. Оскільки концентрація кальцію в ЕР приблизно на 3-4 порядки вища, ніж у цитозолі, після відкриття каналу Са 2+ за градієнтом концентрації надходить у цитозоль. У відсутність ІФ 3 у цитозолі канал закритий.

У цитозолі всіх клітин міститься невеликий білок кальмодулін, що має чотири центри зв'язування Са 2+ . При підвищенні концентрації

кальцію він активно приєднується до кальмодуліну, утворюючи комплекс 4Са 2+ -кальмодулін. Цей комплекс взаємодіє з Са 2+ -кальмодулінзалежними протеїнкіназами, іншими ферментами та підвищує їх активність. Активована Са 2 +-кальмодулін-залежна протеїнкіназа фосфорилює певні білки та ферменти, внаслідок чого змінюється їх активність та швидкість метаболічних процесів, у яких вони беруть участь.

Підвищення концентрації Са 2+ у цитозолі клітини збільшує швидкість взаємодії Са 2+ з неактивним цитозольним ферментом протеїнкіназою С (ПКС).Зв'язування ПКС з іонами кальцію стимулює переміщення білка до плазматичної мембрани та дозволяє ферменту вступати у взаємодію з негативно зарядженими «головками» молекул фосфатидилсерину (ФС) мембрани. Діацилгліцерол, займаючи специфічні центри в протеїнкіназі С, ще більшою мірою збільшує її спорідненість до іонів кальцію. На внутрішній стороні мембрани утворюється активна форма ПКС (ПКС? Са 2+? ФС? ДАГ), яка фосфорилює специфічні ферменти.

Включення ІФ-системи нетривало, і після відповіді клітини на стимул відбувається інактивація фосфоліпази С, протеїнкінази С і Са2+-кальмодулін-залежних ферментів. аф лс -Субодиниця в комплексі з ГТФ і фосфоліпазою С проявляє ферментативну (ГТФ-фосфатазну) активність, вона гідролізує ГТФ. Пов'язана з ГДФ аф лс -субодиниця втрачає спорідненість до фосфоліпазі З повертається у вихідне неактивне стан, тобто. включається в комплекс αβγ-ГДФ (Gф лс -білок).

Відділення аф лс-ГДФ від фосфоліпази С інактивує фермент і гідроліз ФІФ 2 припиняється. Підвищення концентрації Са 2+ у цитозолі активує роботу Са 2+ -АТФаз ендоплазматичного ретикулуму, цитоплазматичної мембрани, які «викачують» Са 2+ із цитозолю клітини. У цьому процесі беруть участь також Na+/Са 2+- та Н+/Са 2+-переносники, що функціонують за принципом активного антипорту. Зниження концентрації Са 2+ призводить до дисоціації та інактивації Са 2+ -кальмодулінзалежних ферментів, а також втрати спорідненості протеїнкінази С до ліпідів мембрани та зниження її активності.

ІФ 3 і ДАГ, що утворилися в результаті активації системи, можуть знову взаємодіяти один з одним і перетворюватися на фосфатидилінозитол-4,5-бісфосфат.

Фосфорильовані ферменти та білки під дією фосфопротеінфосфатази переходять у дефосфорильовану форму, змінюється їх конформація та активність.

5. Каталітичні рецептори.Каталітичні рецептори є ферментами. Активаторами цих ферментів може бути гормони, ростові чинники, цитокини. В активній формі - рецептори-ферменти фосфорилують специфічні білки по -ОН-груп тирозину, тому їх називають тирозиновими протеїнкіназами (рис. 4.15). За участю спеціальних механізмів сигнал, отриманий каталітичним рецептором, може бути переданий у ядро, де стимулює або пригнічує експресію певних генів.

Мал. 4.15. Активація інсулінового рецептора.

Фосфопротеїнфосфатаза дефосфорілює специфічні фосфопротеїни.

Фосфодіестераза перетворює цАМФ на АМФ і цГМФ на ГМФ.

ГЛЮТ 4 – переносники глюкози в інсулінзалежних тканинах.

Тирозинова протеїнфосфатаза дефосфорилює β-субодиниці рецептора

інсуліну

Прикладом каталітичного рецептора може бути рецептор інсуліну,до складу якого входять дві а-і дві β-субодиниці. а-субодиниці розташовані на зовнішній поверхні клітинної мембрани, β-субодиниці пронизують мембранний бислой. Центр зв'язування інсуліну утворений N-кінцевими доменами а-субодиниць. Каталітичний центр рецептора знаходиться на внутрішньоклітинних доменах β-субодиниць. Цитозольна частина рецептора має кілька залишків тирозину, які можуть бути фосфориловані та дефосфориловані.

Приєднання інсуліну до центру зв'язування, утворений а-субодиницями, викликає кооперативні конформаційні зміни рецептора. β-субодиниці виявляють тирозинкіназну активність і каталізують трансаутофосфорилювання (перша β-субодиниця фосфорилює другу β-субодиницю, і навпаки) по кількох залишках тирозину. Фосфорилювання призводить до зміни заряду, конформації та субстратної специфічності ферменту (Тир-ПК). Тирозинова-ПК фосфорилює певні клітинні білки, які отримали назву субстратів інсулінового рецептора. У свою чергу, ці білки беруть участь в активації каскаду реакцій фосфорилювання:

фосфопротеїнфосфатази(ФПФ), яка дефосфорілює специфічні фосфопротеїни;

фосфодіестерази,яка перетворює цАМФ на АМФ і цГМФ на ГМФ;

ГЛЮТ 4- переносників глюкози в інсулінзалежних тканинах, тому підвищується надходження глюкози до клітин м'язів та жирової тканини;

тирозинової протеїнфосфатази,яка дефосфорилює β-субодиниці рецептора інсуліну;

регуляторних білків ядра, факторів транскрипції,генів, що підвищують або знижують експресію, певних ферментів.

Реалізація ефекту ростових факторівможе здійснюватися за допомогою каталітичних рецепторів, які складаються з одного поліпептидного ланцюга, але при зв'язуванні первинного месенджера утворюють димери. Всі рецептори цього типу мають позаклітинний глікозильований домен, трансмембранний (аспіраль) і цитоплазматичний домен, здатний при активації проявляти протеїнкіназну активність.

Димеризація сприяє активації їх каталітичних внутрішньоклітинних доменів, які здійснюють трансаутофосфорилювання по амінокислотних залишках серину, треоніну або тирозину. Приєднання фосфорних залишків призводить до формування у рецептора центрів зв'язування для специфічних цитозольних білків та активації протеїнкіназного каскаду передачі сигналу (рис. 4.16).

Послідовність подій передачі сигналу первинних месенджерів (ростових факторів) за участю Ras- та Raf-білків.

Зв'язування рецептора (R) з фактором росту (ФР) призводить до його димеризації та трансаутофосфорилування. Фосфорильований рецептор набуває спорідненості з Grb2-білком. Утворений комплекс ФР*R*Grb2 взаємодіє із цитозольним білком SOS. Зміна конформації SOS

забезпечує його взаємодію із заякореним білком мембрани Ras-ГДФ. Утворення комплексу ФР?R?Gгb2?SOS?Ras-ГДФ знижує спорідненість Ras-білка до ГДФ і збільшує спорідненість до ГТФ.

Заміна ГДФ на ГТФ змінює конформацію Ras-білка, який відокремлюється від комплексу та взаємодіє з Raf-білком у примембранній області. Комплекс Ras-ГТФ-Raf проявляє протеїнкіназну активність і фосфорилює фермент МЕК-кіназу. Активована МЕК-кіназа у свою чергу фосфорилює МАП-кіназу по треоніну та тирозину.

Рис.4.16. МАП-кіназний каскад.

Рецептори такого типу мають епідермальний фактор росту (ЕФР), фактор росту нервів (ФРН) та інші фактори росту.

Grb2 - протеїн, що взаємодіє з рецептором ростового фактора (growth receptor binding protein); SOS (GEF) - ГДФ-ГТФ обмінний фактор (guanine nucleotide exchange factor); Ras – G-білок (гуанідинтрифосфатаза); Raf-кіназа - в активній формі - фосфорилююча МЕК-кіназу; МЕК-кіназа – кіназа МАП-кінази; МАП-кіназа – мітогенактивована протеїнкіназа (mitogen-aktivated protein kinase)

Приєднання групи -РО 3 2 - до амінокислотних радикалів МАП-кінази змінює її заряд, конформацію та активність. Фермент фосфорилює по серину та треоніну специфічні білки мембран, цитозолю та ядра.

Зміна активності цих білків впливає на швидкість метаболічних процесів, функціонування мембранних транслоказів, мітотичну активність клітин-мішеней.

Рецептори з гуанілатциклазною активністютакож відносяться до каталітичних рецепторів. Гуанілатциклазакаталізує утворення з ГТФ цГМФ, який є одним із важливих месенджерів (посередників) внутрішньоклітинної передачі сигналу (рис. 4.17).

Мал. 4.17. Регулювання активності мембранної гуанілатциклази.

Мембранно-пов'язана гуанілатциклаза (ГЦ) – трансмембранний глікопротеїн. Центр зв'язування сигнальної молекули знаходиться на позаклітинному домені, внутрішньоклітинний домен гуанілатциклази внаслідок активації виявляє каталітичну активність

Приєднання первинного месенджера до рецептора активує гуанілатциклазу, яка каталізує перетворення ГТФ на циклічний гуанозин-3",5"-монофосфат (цГМФ) - вторинний месенджер. У клітині підвищується концентрація цГМФ. Молекули цГМФ можуть оборотно приєднуватися до регуляторних центрів протеїнкінази G (ПКЧ5), що складається з двох субодиниць. Чотири молекули цГМФ змінюють конформацію та активність ферменту. Активна протеїнкіназа G каталізує фосфорилювання певних білків та ферментів цитозолю клітини. Одним із первинних месенджерів протеїнкінази G є передсердний натріуретичний фактор (ПНФ), що регулює гомеостаз рідини в організмі.

6. Передача сигналу за допомогою внутрішньоклітинних рецепторів.Гідрофобні за хімічною природою гормони (стероїдні гормони та тироксин) можуть дифундувати через мембрани, тому їх рецептори знаходяться у цитозолі або ядрі клітини.

Цитозольні рецептори пов'язані з білком-шапероном, який запобігає передчасній активації рецептора. Ядерні та цитозольні рецептори стероїдних і тиреоїдних гормонів містять ДНК-зв'язуючий домен, що забезпечує в ядрі взаємодію комплексу гормон-рецептор з регуляторними ділянками ДНК та зміну швидкості транскрипції.

Послідовність подій, що призводять до зміни швидкості транскрипції

Гормон проходить через подвійний ліпідний шар клітинної мембрани. У цитозолі чи ядрі гормон взаємодіє з рецептором. Комплекс гормон-рецептор проходить в ядро ​​і приєднується до регуляторної нуклеотидної послідовності ДНК. енхансеру(рис. 4.18) або сайленсер.Доступність промотору для РНК-полімерази збільшується при взаємодії з енхансером або зменшується при взаємодії із сайленсером. Відповідно збільшується чи зменшується швидкість транскрипції певних структурних генів. Зрілі мРНК виходять із ядра. Збільшується чи зменшується швидкість трансляції певних білків. Змінюється кількість білків, які впливають на метаболізм та функціональний стан клітини.

У кожній клітині існують рецептори, включені до складу різних сигнал-трансдукторних систем, що перетворюють всі зовнішні сигнали у внутрішньоклітинні. Число рецепторів для конкретного первинного месенджера може варіювати в межах від 500 до 100 000 на клітину. Вони розміщуються на мембрані віддалено один від одного або зосереджені у певних її ділянках.

Мал. 4.18. Передача сигналу на внутрішньоклітинні рецептори

б) з таблиці виберіть ліпіди, які беруть участь у:

1. Активації протеїнкінази С

2. Реакції утворення ДАГ під дією фосфоліпази С

3. Формуванні мієлінових оболонок нервових волокон

в) напишіть реакцію гідролізу ліпіду, обраного вами у п. 2;

г) вкажіть, який із продуктів гідролізу бере участь у регуляції Са 2 +-каналу ендоплазматичного ретикулуму.

2. Виберіть правильні відповіді.

На конформаційну лабільність білків-переносників може впливати:

Б. Зміна електричного потенціалу на мембрані

B. Приєднання специфічних молекул Г. Жирнокислотний склад ліпідів бислоя Д. Кількість речовини, що переноситься

3. Встановіть відповідність:

A. Кальцієвий канал ЕР Б. Са 2 +-АТФаза

Г. Ка+-залежний переносник Са 2 + Д. N+, К+-АТФаза

1. Переносить Na+ за градієнтом концентрації

2. Функціонує за механізмом полегшеної дифузії

3. Переносить Na+ проти градієнта концентрації

4. Перенесіть табл. 4.2. у зошит та заповніть її.

Таблиця 4.2. Аденілатциклазна та інозитолфосфатна системи

Будова та етапи функціонування	Аденілатциклазна система	Інозитолфосфатна система
Приклад первинного месенджера системи
Інтегральний білок клітинної мембрани, що взаємодіє комплементарно з первинним месенджером
Білок, що активує фермент сигнальної системи
Фермент системи, що утворює вторинний(е) месенджер(и)
Вторинний (і) месенджер (-и) системи
Цитозольний (е) фермент (и) системи, що взаємодіє (е) з вторинним месенджером
Механізм регуляції (у цій системі) активності ферментів метаболічних шляхів
Механізми зниження концентрації вторинних месенджерів у клітині-мішені
Причина зниження активності мембранного ферменту сигнальної системи

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

1. Встановіть відповідність:

A. Пасивний симпорт Б. Пасивний антипорт

B. Ендоцитоз Г. Екзоцитоз

Д. Первинно-активний транспорт

1. Транспорт речовини у клітину відбувається разом із частиною плазматичної мембрани

2. Одночасно в клітину по градієнту концентрації проходять дві різні речовини

3. Перенесення речовин іде проти градієнта концентрації

2. Виберіть правильну відповідь.

ag-Субодиниця G-білка, пов'язана з ГТФ, активує:

A. Рецептор

Б. Протеїнкіназу А

B. Фосфодіестеразу Г. Аденілатциклазу Д. Протеїнкіназу С

3. Встановіть відповідність.

Функція:

A. Регулює активність каталітичного рецептора Б. Активує фосфоліпазу

B. Переводить в активну форму протеїнкіназу А

Г. Підвищує концентрацію Са 2+ у цитозолі клітини Д. Активує протеїнкіназу С

Вторинний месенджер:

4. Встановіть відповідність.

Функціонування:

A. Здатний до латеральної дифузії в бислое мембрани

Б. У комплексі з первинним месенджером приєднується до енхансеру

B. Виявляє ферментативну активність при взаємодії з первинним месенджером

Г. Може взаємодіяти з G-білком

Д. У процесі передачі сигналу взаємодіє з фосфоліпазою Рецептор:

1. Інсуліну

2. Адреналіну

3. Стероїдного гормону

5. Виконайте «ланцюгове» завдання:

а) пептидні гормони взаємодіють з рецепторами:

A. У цитозолі клітини

Б. Інтегральними білками мембран клітин-мішеней

B. У ядрі клітини

Г. Ковалентно пов'язаними з ФІФ 2

б) взаємодія такого рецептора з гормоном викликає підвищення концентрації у клітині:

A. Гормона

Б. Проміжних метаболітів

B. Вторинних месенджерів Г. Ядерних білків

в) цими молекулами можуть бути:

A. ТАГ Б. ГТФ

B. ФІФ 2 Г. цАМФ

г) вони активують:

A. Аденілатциклазу

Б. Са 2+ -залежний кальмодулін

B. Протеїнкіназу А Г. Фосфоліпазу С

д) цей фермент змінює швидкість метаболічних процесів у клітині шляхом:

A. Підвищення концентрації Са 2+ у цитозолі Б. Фосфорилювання регуляторних ферментів

B. Активації протенфосфатази

Г. Зміни експресії генів регуляторних білків

6. Виконайте «ланцюгове» завдання:

а) приєднання фактора росту (ФР) до рецептора (R) призводить до:

A. Зміни локалізації комплексу ФР-R

Б. Димеризації та трансаутофосфорилювання рецептора

B. Зміни конформації рецептора та приєднання до Gs-білка Г. Переміщення комплексу ФР-R

б) такі зміни в структурі рецептора збільшують його спорідненість до поверхневого білка мембрани:

Б. Raf Г. Grb2

в) ця взаємодія підвищує ймовірність приєднання до комплексу цитозольного білка:

А. Кальмодуліну B. Ras

Б. ПКС Г. SOS

г) який збільшує комплементарність комплексу до «заякореного» білка:

д) зміна конформації «заякореного» білка знижує його спорідненість до:

А. ЦАМФ B. ГТФ

Б. ГДФ Г. АТФ

е) ця речовина замінюється на:

А. ГДФ B. АМФ

Б. ЦГМФ Г. ГТФ

ж) приєднання нуклеотиду сприяє взаємодії «заякореного» білка з:

А. ПКА B. Кальмодуліном

з) цей білок входить до складу комплексу, який фосфорилює:

А. МЕК-кіназу В. Протеїнкіназу С

Б. Протеїнкіназу А Г. МАП-кіназу

і) цей фермент у свою чергу активує:

А. МЕК-кіназу В. Протеїнкіназу G

Б. Raf-білок Г. МАП-кіназу

к) фосфорилювання білка підвищує його спорідненість до:

А. Білкам SOS та Raf В. Регуляторним білкам ядра Б. Кальмодуліну Г. Ядерним рецепторам

л) активація цих білків призводить до:

A. Дефосфорилування ГТФ в активному центрі білка Ras Б. Зниження спорідненості рецептора до фактору зростання

B. Підвищення швидкості матричних біосинтезів Г. Дисоціації комплексу SOS-Grb2

м) внаслідок цього:

A. Білок SOS відокремлюється від рецептора

Б. Відбувається дисоціація протомерів рецептора (R)

B. Ras-білок відокремлюється від Raf-білка

Г. Зростає проліферативна активність клітини-мішені.

ЕТАЛОНИ ВІДПОВІДЕЙ ДО «ЗАВАННЯМ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ»

1. 1-В, 2-А, 3-Д

3. 1-В, 2-Д, 3-Г

4. 1-В, 2-Г, 3-Б

5. а) Б, б) В, в) Р, г) В, д) Б

6. а) Б, б) Р, в) Р, г) А, д) Б, е) Р, ж) Р, з) А, і) Р, к) В, л) В, м) Р

ОСНОВНІ ТЕРМІНИ І ПОНЯТТЯ

1. Структура та функції мембран

2. Транспорт речовин через мембрани

3. Особливості будови білків мембран

4. Трансмембранні системи передачі сигналів (аденілатциклазна, інозитолфосфатна, гуанілатциклазна, каталітичні та внутрішньоклітинні рецептори)

5. Первинні месенджери

6. Вторинні месенджери (посередники)

ЗАВДАННЯ ДЛЯ АУДИТОРНОЇ РОБОТИ

1. Ознайомтеся з рис. 4.19 та виконайте такі завдання:

а) назвіть вид транспорту;

б) встановіть порядок подій:

A. Cl - за градієнтом концентрації виходить із клітини

Б. Протеїнкіназа А фосфорилює R-субодиницю каналу

B. Змінюється конформація R-субодиниці

Г. Відбуваються кооперативні конформаційні зміни мембранного білка

Д. Активується аденілатциклазна система

Мал. 4.19. Функціонування С1-каналу ендотелію кишечника.

R - регуляторний білок, який переходить у фосфорильовану форму під дією протеїнкінази А (ПКА)

в) порівняйте функціонування Са 2+ -каналу мембрани ендоплазматичного ретикулуму та Cl - -каналу клітини ендотелію кишечника, заповнивши табл. 4.3.

Таблиця 4.3. Способи регулювання функціонування каналів

Розв'яжіть завдання

1. Скорочення серцевого м'яза активує Са 2+, вміст якого у цитозолі клітини підвищується за рахунок функціонування цАМФ-залежних переносників цитоплазматичної мембрани. У свою чергу, концентрація цАМФ у клітинах регулюється двома сигнальними молекулами – адреналіном та ацетилхоліном. Причому відомо, що адреналін, взаємодіючи з β 2 -адренорецепторами, підвищує концентрацію цАМФ у клітинах міокарда та стимулює серцевий викид, а ацетилхолін, взаємодіючи з М 2 -холінорецепторами, знижує рівень цАМФ та скоротливість міокарда. Поясніть, чому два первинних месенджери, використовуючи ту саму систему трансдукції сигналу, викликають різну клітинну відповідь. Для цього:

а) подайте схему передачі сигналу для адреналіну та ацетилхоліну;

б) вкажіть різницю в каскадах передачі сигналів цих месенджерів.

2. Ацетилхолін, взаємодіючи з М 3 -холінорецепторами слинних залоз, стимулює вихід Са 2+ з ЕР. Підвищення концентрації Са 2+ у цитозолі забезпечує екзоцитоз секреторних гранул і вивільнення в слинну протоку електролітів та невеликої кількості білків. Поясніть, як регулюється робота Са 2+ -каналів ЕР. Для цього:

а) назвіть вторинний месенджер, який забезпечує відкриття Са 2+ -каналів ЕР;

б) напишіть реакцію утворення вторинного месенджера;

в) представте схему трансмембранної передачі сигналу ацетилхоліну, в ході активації якої утворюється регуляторний ліганд Са 2+ -кана-

3. Дослідники інсулінового рецептора встановили значну зміну в гені білка - одного з субстратів інсулінового рецептора. Як порушення структурі цього білка позначиться на функціонуванні системи передачі сигналу інсуліну? Для відповіді на запитання:

а) наведіть схему трансмембранної передачі інсуліну сигналу;

б) назвіть білки та ферменти, які активує інсулін у клітинахмішенях, вкажіть їх функцію.

4. Білок Ras є "заякореним" білком цитоплазматичної мембрани. Функцію «якоря» виконує 15-вуглецевий залишок фарнезилу Н 3 С-(СН 3)С=СН-СН 2 -[СН 2 -(СН 3)С=СН-СН 2 ] 2 -, який приєднується до білка ферментом фарнезилтрансферазою ході посттрансляційної модифікації. Нині інгібітори цього ферменту проходять клінічні випробування.

Чому використання цих препаратів призводить до порушення трансдукції сигналу ростових факторів? Для відповіді:

а) уявіть схему передачі сигналу за участю Ras-білків;

б) поясніть функцію Ras-білків та наслідки порушення їх ацилювання;

в) припустіть, для лікування яких захворювань було розроблено ці препарати.

5. Стероїдний гормон кальцитріол активує всмоктування харчового кальцію, збільшуючи кількість білків-переносників Са2+ у клітинах кишківника. Поясніть механізм дії кальцитріолу. Для цього:

а) наведіть загальну схему передачі сигналу стероїдних гормонів та опишіть її функціонування;

б) назвіть процес, який активує гормон у ядрі клітини-мішені;

в) вкажіть, у якому матричному біосинтезі братимуть участь молекули, синтезовані в ядрі, і де протікає.

I. Проникнення стероїду (С) у клітину

ІІ. Освіта комплексу СР

Всі Р стероїдних гормонів являють собою глобулярні білки приблизно однакового розміру, що з дуже високою спорідненістю зв'язують гормони

ІІІ. Трансформація СР у форму, здатну зв'язуватися ядерними акцепторами [СР]

Будь-яка клітина містить усю генетичну інформацію. Однак при спеціалізації клітини більшість ДНК позбавляється можливості бути матрицею для синтезу іРНК. Це досягається шляхом згортання навколо гістонів білків, що веде до перешкоди транскрипції. У зв'язку з цим генетичний матеріал клітини можна поділити на ДНК 3-х видів:

1.транскрипційно неактивна

2.постійно експресована

3.індукована гормонами або іншими сигнальними молекулами.

IV. Зв'язування [СР] з хроматиновим акцептором

Слід зазначити, що цей етап дії повністю не вивчений і має ряд спірних моментів. Вважається, що [СР] взаємодіє зі специфічними ділянками ДНК так, що це дає можливість РНК-полімеразі вступити в контакт до певних доменів ДНК.

Цікавим є досвід, який показав, що період напівжиття іРНК за стимуляції гормоном збільшується. Це призводить до багатьох протиріч: стає незрозуміло збільшення кількості іРНК свідчить, про те, що [СР] підвищує швидкість транскрипції або збільшує період напівжиття іРНК; водночас збільшення напівжиття іРНК пояснюється наявністю великої кількості рибосом у гормон-стимульованій клітині, які стабілізують іРНК або іншою дією [СР] невідомою для нас на сьогоднішній момент.

V. Виборча ініціація транскрипції специфічних іРНК; координований синтез тРНК та рРНК

Можна вважати, що основний ефект [СР] полягає у розпушенні конденсованого хроматину, що веде до відкривання доступу до нього молекул РНК-полімерази. Підвищення кількості іРНК призводить до збільшення синтезу тРНК та рРНК.

VI.Процесинг первинних РНК

VII.Транспорт мРНК у цитоплазму

VIII.Синтез білка

IX.Посттрансляційна модифікація білка

Проте, як свідчать дослідження, це основний, але з єдино можливий механізм дії гормонів. Наприклад, андрогени та естрогени викликають збільшення в деяких клітинах цАМФ, що дає можливість припустити, що для стероїдних гормонів є також мембранні рецептори. Це показують, що стероїдні гормони діють на деякі чутливі клітини як водорозчинні гормони.

Вторинні посередники

Пептидні гормони, аміни та нейромедіатори на відміну від стероїдів - гідрофільні сполуки і не здатні легко проникати через плазматичну мембрану клітини. Тому вони взаємодіють із розташованими на поверхні клітини мембранними рецепторами. Гормон-рецепторна взаємодія ініціює висококоординовану біологічну реакцію, в якій можуть брати участь багато клітинних компонентів, причому деякі з них розташовані на значній відстані від плазматичної мембрани.

цАМФ - перша сполука, яку Сазерленд, що його відкрив, назвав «другим посередником», тому що «першим посередником» він вважав сам гормон, що викликає внутрішньоклітинний синтез «другого посередника», який опосередковує біологічний ефект першого.

Сьогодні можна назвати щонайменше 3 типів вторинних посередників: 1)циклические нуклеотиди (цАМФ і цГМФ); 2) іони Ca і 3) метаболіти фосфатидилінозитолу.

За допомогою таких систем невелика кількість молекул гормону, зв'язуючись з рецепторами, викликає продукцію значно більшого числа молекул другого посередника, а останні своєю чергою впливають на активність ще більшої кількості білкових молекул. Таким чином, відбувається прогресивна ампліфікація сигналу, що виникає при зв'язуванні гормону з рецептором.

ЦАМФ

Спрощено дію гормону через цАМФ можна так:

1. гормон + стереоспецифічний рецептор

2. активація аденілатциклази

3. освіта цАМФ

4. забезпечення цАМФ координованої реакції

Гормон Зовнішнє середовище

Рецептор Мембрана

5'-цАМФ 3',5'-цАМФ АТФ

Неактивна протеїнкіназа

Фосфодіестераза

Активна протеїнкіназа

Дефосфопротеїн Фосфопротеїн

Фосфопротеїнфосфатаза

Біологічний ефект

Рис 1

1. Слід зазначити, що рецептори також є динамічними структурами. Це означає, що їх кількість може знижуватися або підвищуватися. Наприклад, у людей зі збільшеною масою тіла зменшується кількість рецепторів інсуліну. Досліди показали, що при нормалізації їхньої маси спостерігається збільшення кількості рецепторів до нормального рівня. Іншими словами, при підвищенні чи зниженні концентрації інсуліну мають місце реципрокні зміни концентрації рецепторів. Вважається, що це явище може захистити клітину від інтенсивної стимуляції при неадекватно високому рівні гормону.

2.Активація аденілатциклази (А) теж є регульованим процесом. Раніше вважалося, що гормон (Г), зв'язуючись з рецептором (Р), змінює його конформацію, що призводить до активування А. Однак виявилося, що А є алостеричним ферментом, який активується під дією ГТФ. ГТФ переносить спеціальний білок (трансдуктор) G. У зв'язку з цим було прийнято модель, яка описує як активацію А, а й термінацію цього процесу

а) Р+Р+G·ГДФ ® Г·Р·G+ГДФ

б) Г·Р·G + ГТФ ® Г + Р + G·ГТФ

в) G ГТФ + А ® цАМФ + G ГДФ

Таким чином, сигналом, що «вимикає» систему служить гідроліз ГТФ. Для відновлення циклу ГДФ повинен від'єднатись від G, що відбувається при зв'язуванні гормону з Р.

Деякі фактори мають інгібуючу дію на А і викликають зниження концентрації цАМФ. Прикладами агоністів, що стимулюють циклазу, можуть бути глюкагон, АДГ, ЛГ, ФСГ, ТТГ і АКТГ. До факторів, що інгібують циклазу, належать опіоїди, соматостатин, ангіотензин II та ацетилхолін. Адреналін може стимулювати (через b-рецептори), так і інгібувати (через a-рецептори) даний фермент. Виникає питання яким чином здійснюється двонаправлена ​​регуляція А. Виявилося, що інгібуюча система включає тривимірний білок, надзвичайно схожий на наведений вище G-білок. Ефект Gі може бути описаний наступним чином:

а) Г + Р + Gі · ГДФ ® Г · Р · Gі + ГДФ

б) Г·Р·Gі + ГТФ ® Г + Р + Gі·ГТФ

в) Gі·ГТФ + А ® ¯цАМФ + Gі·ГДФ

Після фосфорилювання білків-ферментів в ході описаних вище реакцій (див. рис 1) змінюється їх конформація. Отже, змінюється і конформація їх активного центру, що веде до їх активування або інгібування. Виходить, що завдяки вторинному посереднику цАМФ у клітині активуються або інгібується дія специфічних для неї ферментів, що викликає певний біологічний ефект, властивий для цієї клітини. У зв'язку з цим незважаючи на велику кількість ферментів, які діють через вторинний посередник цАМФ, у клітині виникає певна, специфічна відповідь.