Биологические мембраны

• Название: Биологические мембраны
• Анкор: Биологические мембраны.doc
• Дата: 02.05.2017
• Размер: 1.56 Mb.
• Имя файла: Биологические мембраны.doc
• Тип: Документы; #6713
• Категория: Биология. Ветеринария. Сельское хозяйство
• страница: 6 из 7

ТРАНСМЕМБРАННАЯ ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА

Важное свойство мембран — способность воспринимать и передавать внутрь клетки сиг­налы из внешней среды. «Узнавание» сигналь-

ных молекул осуществляется с помощью бел­ков-рецепторов, встроенных в клеточную мем­брану клеток-мишеней или находящихся в клет­ке. Клетку-мишень определяют по способности избирательно связывать данную сигнальную мо­лекулу с помощью рецептора.

Если сигнал воспринимается мембранными рецепторами, то схему передачи информации можно представить так:

• взаимодействие рецептора с сигнальной мо­лекулой (первичным посредником);

• активация мембранного фермента, ответ­ственного за образование вторичного по­средника;

• образование вторичного посредника цАМФ, цГМФ, ИФ₃, ДАТ или Са²⁺;

• активация посредниками специфических белков, в основном протеинкиназ, которые, в свою очередь, фосфорилируя ферменты, оказывают влияние на активность внутри­клеточных процессов.

Несмотря на огромное разнообразие сигналь­ных молекул, рецепторов и процессов, которые они регулируют, существует всего несколько механизмов трансмембранной передачи инфор­мации: с использованием аденилатциклазной системы, инозитолфосфатной системы, катали­тических рецепторов, цитоплазматических или ядерных рецепторов.

• 
  сигнальные молекулы — гормоны, МЕДИАТОРЫ, ЭЙКОЗАНОИДЫ, ФАКТОРЫ РОСТА, ОКСИД АЗОТА (NO)
  

Сигнальными молекулами могут быть непо­лярные и полярные вещества. Неполярные ве­щества, например стероидные гормоны, прони­кают в клетку, проходя через липидный бислой. Полярные сигнальные молекулы в клетку не проникают, но связываются специфическими рецепторами клеточных мембран. Такое взаи­модействие вызывает цепь последовательных со­бытий в самой мембране и внутри клетки. К полярным сигнальным молекулам относят бел­ковые гормоны (например, инсулин), нейромедиаторы (например, АХ, ГАМК), факторы роста, цитокины, эйкозаноиды.

• 
  рецепторы
  

По локализации различают мембранные, цитоплазматические и ядерные рецепторы. По другой классификации все рецепторы можно разделить на быстроотвечающие (в пределах мс) и медленноотвечающие, в пре­делах нескольких минут или даже часов, что характерно для гормонов, передающих сиг­нал на внутриклеточные рецепторы. Рецепто­ры первого типа — интегральные олигомерные белки, содержащие субъединицу, имеющую центр для связывания сигнальной молекулы и центральный ионный канал.

Рецепторы второго типа, локализованные в мембранах и не связанные с каналами, подраз­деляют на 2 большие группы: каталитические рецепторы, обладающие собственной тирозинкиназной или гуанилатциклазной активностью, и рецепторы, взаимодействующие через G-белок с мембранным ферментом. Связывание лиганда (например, гормона) с рецептором на на­ружной стороне клеточной мембраны приводит к изменению активности цитоплазматического фермента, который, в свою очередь, иниции­рует клеточный ответ, т.е. через мембрану пе­реносится информация, а не заряды или какие-либо растворённые молекулы.

В случае цитоплазматических рецепторов че­рез мембрану проходит гормон, а информация о присутствии гормона в клетке с помощью ре­цептора передаётся в ядро.

Различные клетки организма в зависимости от выполняемых ими функций имеют опреде­лённый набор рецепторов. В мембране одной клетки может быть более десятка разных типов рецепторов. Взаимодействуя с рецептором, вне­клеточные химические посредники оказывают влияние на метаболизм и функциональное со­стояние (пролиферация, секреция и т.д.) кле­ток-мишеней.


Участие рецепторов в трансмембранной передаче сигнала. Рецепторы: 1 — связанные с ионными каналами, на­пример рецептор ГАМК; 2— с каталитической активностью (рецептор инсулина); 3— передающие сигнал на фосфолипазу С, например α₁-адренорецептор; 4 — с каталитической активностью (гуанилатциклаза, рецептор ПНФ); 5 — передающие сигнал на аденилатциклазу, например β-адренорецепторы; 6 — связывающие гормон в цитозоле или ядре, например рецептор кортизола.
1. Рецепторы адреналина — адренорецепторы

Адренорецепторы различают по распреде­лению в организме — центральные и пери­ферические. Центральные адренорецепторы, локализованные в различных областях мозга, участвуют в регуляции функций ЦНС, пери­ферические — контролируют работу внутрен­них органов.

Все адренорецепторы классифицируют на два типа — α- и β-, но каждый тип имеет не­сколько подтипов, наиболее распространённые из них — α₁-, α₂-, β₁ - и β₂-рецепторы. В зави­симости от своего анатомического расположе­ния клетки одного типа, например гладко-мышечные клетки сосудов или адипоциты, со­держат разные типы рецепторов.

Несмотря на значительное подобие между α- и β-рецепторами и их подтипами, они ко­дируются разными генами. Адренорецепто­ры принадлежат к семейству белков, имею­щих 7 трансмембранных а-спиралей (которые принято называть доменами). Длина N- и С-концов, а также длина 1-4 доменов разли­чается у разных типов и подтипов рецепто­ров.

Адренорецепторы — гликопротеины, вклю­чающие в свой состав различные углеводные фрагменты. Гликозилированию подвергаются расположенные в области N-конца остатки аспарагиновой кислоты.

β-Адренорецепторы встречаются практически во всех тканях организма. Количество

β-адренорецепторов, приходящееся на клетку, варьи­рует от 300 до 4000.

Центр связывания адреналина образован ами­нокислотными остатками третьего, пятого и шестого доменов

α-Адренорецепторы различают по локализации (например, гепатоциты имеют α₁-рецепторы, адипоциты — α₂-адренорецепторы) и механиз­му трансформации биологического сигнала. Эффекторные системы, связанные с α₁,- и α₂-адренорецепторами, включают G-белки разно­го типа — Gplc-белки (G-белок стимулирую­щий) и G_i-белки (G-белок ингибирующий) и соответственно ферменты — фосфолипазу С или аденилатциклазу.
2. Рецепторы с тирозинкиназной активностью

Тирозиновые протеинкиназы — ферменты, фосфорилирующие специфические белки по ти­розину, подразделяют на 2 типа — мембранные (рецепторные) и цитоплазматические. Внутри­клеточные тирозиновые протеинкиназы прини­мают участие в процессах передачи сигнала в ядро. Рецепторные тирозиновые протеинкина­зы участвуют в трансмембранной передаче сиг­налов.



Примером рецепторной тирозиновой проте­инкиназы может служить рецептор инсулина. Рецептор инсулина — тирозиновая протеинкиназа, фосфорилирующая белки по ОН-группам тирозина.

Рецептор состоит из двух α- и двух β-субъединиц, связанных дисульфидными связями и нековалентными взаимодействиями, α- и β-Субъединицы — гликопротеины с углеводной частью на наружной стороне мембраны. Вне мембраны на её поверхности находятся α-субъе-диницы. Центр связывания инсулина образо­ван N-концевыми доменами α-субъединиц. β-Субъединицы пронизывают мембранный бислой и не участвуют в связывании инсулина.


Активация рецептора инсулина — тирозиновой протеинкиназы
Каталитический центр тирозиновой протеин­киназы находится на внутриклеточных доменах β-субъединиц. В отсутствие гормона инсулиновые рецепторы не проявляют тирозинкиназной активности. Присоединение инсулина к центру связывания на α-субъединицах активирует фер­мент, причём субстратом служит сама тирозино­вая протеинкиназа (β-субъединицы), т.е. проис­ходит фосфорилирование β-субъединицы по нескольким тирозиновым остаткам. Фосфорили­рование β-субъединиц происходит по механизму межмолекулярного трансфосфорилирования, т.е. одна β-цепь фосфорилирует другую β-цепь той же молекулы рецептора. Это, в свою очередь, приводит к изменению субстратной специфич­ности тирозиновой протеинкиназы; теперь она способна фосфорилироватъ другие внутриклеточ­ные белки. Активация и изменение специфично­сти обусловлены конформационными изменени­ями рецептора инсулина после связывания гормона и аутофосфорилирования.

Ключевой белок, фосфорилируемый тирози­новой протеинкиназой, — субстрат инсулино-вого рецептора-1 (от англ, insulinreceptorsubstrate, IRS-I). Фосфорилированный IRS-I активирует ферменты, например тирозиновую фосфопротеинфосфатазу, и белки, участвующие в регуля­ции клеточных процессов.

Дефосфорилирование рецептора под действи­ем тирозиновой фосфопротеинфосфатазы воз­вращает его в неактивное состояние. Сродство рецептора к инсулину снижается при его фос-форилировании протеинкиназой А по амино­кислотным остаткам серина и треонина.



3. Рецепторы с гуанлатциклазной активностью

Гуанилатциклаза катализирует образование цГМФ из ГТФ, одного из важных посредников внутриклеточной передачи сигнала. Гуанилатциклаза находится в клетке, как в мембранносвязанном состоянии, так и в цитозольном.

Соотношения этих двух форм фермента в раз­личных тканях разное. Например, в клетках тонкого кишечника 90% гуанилатциклазы находит­ся в мембранах, а в лёгких и печени — лишь 20%. Цитозольная и мембранносвязанная гуа­нилатциклазы различаются не только по лока­лизации, но и по молекулярной массе, актив­ности, способу регуляции.

Цитозольная форма гуанилатциклазы состоит из двух субъединиц (α и β) и содержит в своём

составе простетическую группу — гем. В области гема связывается активатор этой формы гуани­латциклазы — оксид азота (NO), образующийся из аргинина под действием фермента синтазы оксида азота.

Мембранносвязанная гуанилащиклаза — транс­мембранный гликопротеин. Внутриклеточный домен гуанилатциклазы проявляет каталитическую активность, внеклеточный домен служит ре­цептором. Присоединение активатора к ре­цептору вызывает изменение конформации в мем­бранном и цитозольном доменах и, как следствие, активацию гуанилатциклазы.

В клетках тканей выявлены 3 основных типа внутриклеточных рецепторных белков, с кото­рыми взаимодействует цГМФ: цГМФ-зависимая протеинкиназа (протеинкиназа G), цГМФ-регулируемые ионные каналы и цГМФ-регулируемая фосфодиэстераза, специфичная к цАМФ (катализирует превращение цАМФ в АМФ).

цГМФ играет важную роль в регуляции Са²⁺-гомеостаза в различных типах клеток. Повыше­ние концентрации цГМФ приводит к пони­жению концентрации Са²⁺ как в результате ак­тивации Са²⁺-АТФ-аз, так и за счёт подавления рецепторзависимого поступления этого иона в цитоплазму клетки. Эти эффекты опосредованы действием протеинкиназы G на мембранные белки, участвующие в обмене Са²⁺.

• 
  G-БЕЛКИ
  

G-белки (ГТФ-связывающие белки) — уни­версальные посредники при передаче сигналов от рецепторов к ферментам клеточной мембра­ны, катализирующим образование вторичных посредников гормонального сигнала. G-бел­ки — олигомеры, состоящие из α, β и γ-субъеди-ниц. Состав димеров βγ незначительно раз­личаются в разных тканях, но в пределах одной клетки все G-белки, как правило, имеют оди­наковый комплект βγ-субъединиц. Поэтому G-белки принято различать по их α-субъединицам. Выявлено 16 генов, кодирующих различные α-субъединицы G-белков. Некоторые из генов имеют более одного белка, вследствие альтер­нативного сплайсинга РНК.

В структуре G-белков отсутствуют α-спиральные, пронизывающие мембрану домены. G-бел­ки относят к группе «заякоренных» белков

• 
  Аденилатцикала
  

Аденилатциклаза - фермент, катализирующий превращение АТФ в цАМФ, — клю­чевой фермент аденилатциклазной системы пе­редачи сигнала. Аденилатциклаза обнаружена во всех типах клеток.

Фермент относят к группе интегральных бел­ков клеточной мембраны, он имеет 12 транс­мембранных доменов. Внеклеточные фраг­менты аденилатциклазы гликозилированы. Ци-топлазматические домены аденилатциклазы имеют два каталитических центра, ответствен­ных за образование цАМФ — вторичного по­средника, участвующего в регуляции активнос­ти фермента протеинкиназы А.

• 
  Аденилатциклазная система
  

При участии аденилатциклазной системы ре­ализуются эффекты сотни различных по своей природе сигнальных молекул — гормонов, нейромедиаторов, эйкозаноидов.

Функционирование системы трансмембран­ной передачи сигналов обеспечивают белки: R_s-рецептор сигнальной молекулы, которая акти­вирует аденилатциклазу, и R-рецептор сигналь­ной молекулы, которая ингибирует аденилатцик­лазу; G_s-стимулирующий и G_i-ингибирующий аденилатциклазу белки; ферменты аденилатциклаза (АЦ) и протеинкиназа А.

Последовательность событий, приводящих к ак­тивации аденилатциклазы:

• связывание активатора аденилатциклазной системы, например гормона (Г) с рецепто­ром (R_s), приводит к изменению конформации рецептора и увеличению его срод­ства к G_s-белку. В результате образуется комплекс [Г][R][G-ГДФ];

• присоединение [Г][R] к G-ГДФ снижает сродство α-субъединицы G-белка к ГДФ и

увеличивает сродство к ГТФ. ГДФ замеща­ется на ГТФ;

• это вызывает диссоциацию комплекса. От­делившаяся субъединица α, связанная с мо­лекулой ГТФ, обладает сродством к аденилатциклазе:
[Г][R][G-ГТФ] → [Г][R] + α-ГТФ + βγ
• взаимодействие α-субъединицы с аденилатциклазой приводит к изменению конформации фермента и его активации, увеличи­вается скорость образования цАМФ из АТФ;

• конформационные изменения в комплексе [α-ГТФ][АЦ] стимулируют повышение ГТФ-фосфатазной активности α-субъединицы. Протекает реакция дефосфорилирования ГТФ, и один из продуктов реакции — неор­ганический фосфат (Р_i)отделяется от α-субъединицы, а комплекс [α-ГДФ] сохраня­ется; скорость гидролиза определяет время проведения сигнала;

• образование в активном центре α-субъеди­ницы молекулы ГДФ снижает его сродство к аденилатциклазе, но увеличивает сродство к βγ-субъединицам. G_s-белок возвращается к неактивной форме;

• если рецептор связан с активатором, напри­мер гормоном, цикл функционирования G_s белка повторяется.


Активация протеинкиназы А (ПКА)

• Молекулы цАМФ могут обратимо соединять­ся с регуляторными субъединицами ПКА.

• Присоединение цАМФ к регуляторным субъединицам (R) вызывает диссоциацию ком­плекса C₂R₂ на комплекс цАМФ₄ R₂и С + С.

• Активная протеинкиназа А фосфорилирует специфические белки по серину и треонину, в результате изменяются конформация и активность фосфорилированных белков, а это приводит к изменению скорости и направле­ния регулируемых ими процессов в клетке.

• Концентрация цАМФ в клетке может ре­гулироваться, она зависит от соотношения ак­тивностей ферментов аденилатциклазы и фос­фодиэстеразы.


Аденилатциклазная система
Большую роль в регуляции внутриклеточ­ной сигнальной системы играет белок AKAP_S. «Заякоренный» белок AKAP_S участвует в сборке ферментных комплексов, включающих не только протеинкиназу А, но и фосфодиэстеразу и фосфопротеинфосфатазу.

Каскадный механизм усиления и подавления сиг­нала. Передача сигнала от мембранного рецеп­тора через G-белок на фермент аденилатциклазу служит примером каскадной системы усиления этого сигнала. Одна молекула, активирующая рецептор, может «включать» несколько G-белков, и затем каждый активирует несколько молекул аденилатциклазы с образованием тысяч молекул цАМФ. На этом этапе сигнал усилива­ется в 10²—10³ раз. Образующийся цАМФ «вклю­чают» другой фермент — протеинкиназу А, уси­ливая сигнал ещё в 1000 раз. Фосфорилирование ферментов протеинкиназой А ещё больше уси­ливает сигнал, в результате суммарное усиление равно 10⁶—10⁷ раз. Таким образом, по механизму каскадного усиления одна молекула регулятора способна изменить активность миллионов дру­гих молекул.

Но для любой из систем трансмембранной передачи сигнала клетка имеет другую систему, подавляющую этот сигнал. Каждый из этапов в ферментном каскаде находится под контролем специальных подавляющих этот сигнал меха­низмов. Например, длительное действие гормо­на приводит к десенсибилизации мембранных рецепторов: они либо инактивируются, либо вместе с гормоном погружаются в клетку по­средством эндоцитоза. В результате десенсиби­лизации рецепторов степень активации аденилатциклазной системы снижается. Если в клетке длительное время повышена концентрация цАМФ (повышена активность протеинкиназы А), может происходить фосфорилирование кальциевых каналов, что приводит к повыше­нию концентрации Са²⁺ в клетке. Кальций ак­тивирует Са²⁺-зависимую фосфодиэстеразу, ка­тализирующую превращение цАМФ в АМФ. В результате инактивации протеинкиназы А (R₂C₂) снижается скорость фосфорилирования специфических ферментов. Завершает «выклю­чение» системы фосфопротеинфосфатаза, де-фосфорилирующая фосфопротеины.

Влияние бактериальных токсинов на актив­ность аденилатциклазы (АДФ-рибозилирование G-белков)

Для изучения функционирования G-белков аденилатциклазной системы были использованы экзогенные бактериальные яды — холерный и коклюшный токсины. Токсины в эксперименталь­ных условиях повышают активность аденилатцик­лазы практически во всех клетках организма. Реак­ция разных клеток на холерный токсин вызвана повышением уровня цАМФ в этих клетках.

Холерный токсин — олигомерный белок. Одна из субъединиц — фермент АДФ-рибозилтрансфераза; проникая в клетку, она катализирует присоединение АДФ-рибозы к а_s-субъединице комплекса [α_s-ГТФ][АЦ] (этап активации адени­латциклазы).
NAD⁺+ [α_sГТФ][АЦ] → [АДФ-рибозил- α_s ГТФ][АЦ] + никотинамид + Н⁺.
АДФ-рибозилирование ингибирует проявле­ние ГТФ-фосфатазной активности α₅-субъеди-ницы, не происходит дефосфорилирование ГТФ. Цикл функционирования G_s-белка оста­навливается на этапе активации фермента аде­нилатциклазы, отвечающего за образование цАМФ из АТФ. Фермент аденилатциклаза со­храняет повышенную активность в течение дли­тельного времени.

Субъединица коклюшного токсина, прони­кая в клетку, катализирует АДФ-рибозилиро­вание α_i-субъединицы активированного G_i-белка (α₁βγ-ГТФ).
NAD⁺+ [α₁βγ-ГТФ] → [АДФ-рибозил- α₁βγ-ГТФ] + никотинамид + Н⁺.
Модифицированная α₁-субъединица сохраня­ет высокое сродство к βγ-субъединицам, т.е. G_i-белок теряет способность диссоциировать на α₁-ГТФ и βγ-субъединицы. Таким образом, ин-гибирующий сигнал (α₁-ГТФ) не достигает аде­нилатциклазы, значит в этом случае возможна только её активация при связывании с α_s-ГТФ. Действие коклюшного токсина на клетки тка­ней всегда приводит к повышению уровня цАМФ.

Симптомы холеры и коклюша развиваются в результате действия токсинов, вырабатываемых соответствующими микроорганизмами.