Поверхностный аппарат клетки. Методические указания.. Михеев в. С

• Название: Михеев в. С
• Анкор: Поверхностный аппарат клетки. Методические указания..doc
• Дата: 25.04.2017
• Размер: 0.92 Mb.
• Имя файла: Поверхностный аппарат клетки. Методические указания..doc
• Тип: Реферат; #4868
• Категория: Биология. Ветеринария. Сельское хозяйство
• страница: 13 из 18

Выведение переносчика глюкозы в ПА с помощью рецепторов инсулина предотвращает гипергликемию (повышенную концентра­цию глюкозы в крови), которое является причиной сахарного диабе­та. С другой стороны, возвращение GluT4 в эндосому после нормализации содержания глюкозы предотвращает и гипогликемию (дефицит глюкозы в крови), которая также приводит к серьезным нарушениям жизнедеятельности.

Существуют наследственные дефекты белков, регулирующих транспорт GluT4 в ПА жировых и мышечных клеток, и приводящих к развитию сахарного диабета. Одна группа таких дефектов обу­словливает дефицит инсулина в крови или аномалии его структуры. В этом случае развивается форма сахарного диабета, которая назы­вается инсулинзависимый сахарный диабет (ИЗСД).

Лечение ИЗСД проводят введением больным определенных доз гормона инсули­на. При этом следует иметь в виду, что инъекцию инсулина необходимо делать толь­ко на фоне гипсргликемии. В противном случае (нормогликемия) введение этого гормона может вызвать гипогликемию, что, например, и происходит при инъекции препарата натощак.

Еще одной причиной сахарного диабета могут быть наследствен­ные дефекты структуры рецепторов инсулина или их дефицит. В таком случае гипергликемия развивается вне зависимости от нали­чия инсулина в крови, поэтому данная форма сахарного диабета обо­значается как инсулиннезависимый сахарный диабет (ИНЗСД).

Примером наследственного дефекта рецептора инсулина являет­ся синдром Донохью, который характеризуется гротескными черта­ми лица и гипертрофией (увеличением размеров) наружныж половых органов. В этом случае сильная гипергликемия стимулирует избы­точную секрецию инсулина, сопровождающуюся гипертрофией ост­ровков Лангерганса поджелудочной железы, что приводит в конечном итоге к смерти больного ребенка уже на первом году жиз­ни.

Лечение ИНЗСД не должно проводиться путем инъекций инсулина, так как дан­ный гормон регулирует не только содержание глюкозы в крови. Благодаря этому, избыток инсулина (результат его инъекции) вызывает неблагоприятные для орга­низма последствии. В частности, при активации рецепторов инсулина, имеющихся постоянно в ПА большинства клеток млекопитающих, происходит изменение актив­ности многих ферментов, снижается интенсивность синтеза белков и подавляется синтез многих иРНК (работа многих генов).

Примером цитоплазматических протеинкиназных рецепторов явля­ются рецепторы стероидных, ретиноидных и тиреоидных гормонов.

Стероидные гормоны синтезируются и секретируются клетками надпочечников и по­ловых желез, а тиреоидные гормоны - клетками щитовидной железы. Предшественниками ретиноидных гормонов являются растительные пигменты каротины Рецепторы данных гормонов имеются в периферической гиалоплазме многих клеток млекопитающих и обла­дают сходным механизмом действия.

Гормон, проникая в периферическую гиалоплазму через плазмалемму, связывается рецепторным доменом и изменяет конформацию всей молекулы рецептора, включая ДНК-связывающий домен. Комплекс гор­мон-рецептор транспортируется в ядро, где взаимодействует с участками ДНК, регулирующими работу определенных генов. Связывание с ДНК активирует протеинкиназный домен рецептора, с помощью которого фосфорилируются белковые транскрипционные факторы, необходимые для синтеза иРНК.

Если фосфорилирование активирует транскрипционные факторы, синтез РНК индуцируется (ген включается). Синтезированная иРНК транспортируется из ядра в гиалоплазму, где взаимодействует с рибосо­мами и тРНК. В результате клетка начинает синтезировать белок, которо­го в ней не было. Этот белок выполняет определенные клеточные функции, на основе чего клетка адекватно реагирует на полученный сти­мул (гормон).

Если нефосфорилированный транскрипционный фактор исходно ак­тивен, действие протеинкиназного домена рецептора приводит к подавле­нию функций транскрипционного фактора. Следствием этого является выключение генов - прекращение синтеза соответствующих белков, вы­полняющих определенные клеточные функции. Таким образом, и в дан­ной ситуации клетка реагирует адекватно полученному сигналу (гормону).

Опосредованный цитоплазматическими рецепторами путь ответа яв­ляется относительно медленным, поэтому используется, главным обра­зом, при дифференцировке клеток в ходе индивидуального развития (онтогенеза) многоклеточных организмов или стабильных изменений физиологического состояния организма.

В частности, по такому механизму происходит формирование мужских половых орга­нов и признаков у млекопитающих, включая человека. У эмбрионов с набором половых хромосом XY развиваются мужские гонады (семенники), клетки которых синтезируют половой гормон тестостерон. Действие этого стероидного гормона опосредовано специаль­ным цитоплазматическим рецептором андрогенов (мужских половых гормонов). Активация данного рецептора приводит к включению группы генов, работа которых вызывает разви­тие остальных половых органов и признаков по мужскому типу.

Известен наследственный дефект рецептора андрогенов, который приводит к развитию синдрома тестикулярной феминизации (син­дрома Морриса). Эта болезнь характеризуется тем, что у людей с мужским набором половых хромосом (XY) формируются семенники, синтезируется тестостерон, но другие мужские половые признаки не развиваются. Наружные половые органы у больных с синдромом Морриса - женского типа, влагалище короткое и слепо замкнутое, яйцеводы и матка отсутствуют, в соответствующем возрасте разви­ваются молочные железы. Характерным внешним симптомом болезни является дефицит вторичного оволосения (рост волос на лобке и подмышками или не происходит, или очень скудный).
Трансдукторная функция рецепторов проявляется в том, что они пе­редают трансформированный сигнал, не усиливая его, так как их цитоплазматический домен не обладает каталитической активностью. Благодаря этому, трансдукторные рецепторы являются только одним из элементов целостных рецепторно-сигнальных систем (РСС), в которых также происходит усиление сигнала.

Наиболее простая РСС - двухкомпонентная, включающая мембран­ный рецептор и протеинкиназу, зафиксированную в билипидном слое остатками миристиновой и пальмитиновой кислот. В такой РСС цитоплазматический домен рецептора имеет центр взаимодействия с протеин-киназой. Сигнальная молекула, связываясь с рецепторным доменом мембранного рецептора, вызывает изменение конформации цитоплазматического домена, активируя центр его взаимодействия с неактивной протеинкиназой.

В результате связывания с цитоплазматическим доменом протеинкиназа изменяет свою конформацию и активируется - приобретает способ­ность фосфорилировать определенные клеточные белки. Таким образом, развитие клеточного ответа в РСС соответствует таковому для каталити­ческих рецепторов и базируется на процессе фосфорилирования. Однако, в этом случае рецептор не реализует, а предает сигнал на эффекторный элемент (протеинкиназу), который выполняет и функцию усиления сигна­ла.

С помощью таких РСС осуществляются быстрые ответные реакции клетки на соответ­ствующие стимулы. Тем не менее, преимущество РСС по сравнению с каталитическими рецепторами заключаются в больших возможностях регуляции се работы, которая может осуществляться и на этапе трансдукции, и на этапе реализации-усиления. Такую регуляцию, например, можно производить путем фосфорилирования как трансдукторного домена рецептора, так и протеинкиназы с помощью независимо функционирующих протеинкиназ.

Это создает определенный запас прочности и гибкости в работе РСС: если нарушен механизм фосфорилирования рецептора, данный дефект может быть компенсирован фосфорилированием эффекторной протеинкиназы. С другой стороны, фосфорилирование обоих компонентов РСС может давать более сильный эффект, чем аналогичное изменение каждо­го компонента в отдельности. Такая ситуация позволяет роулировать не просто передачу сигнала, но и его силу (интенсивность), т.е. расширяет возможности регуляции работы РСС.

Наиболее сложными и универсальными РСС являются системы, по­лучившие название систем вторичных посредников. Особенность функ­ционирования таких РСС заключается в том, что один из элементов РСС катализирует образование внутриклеточных сигнальных молекул - вто­ричных посредников (ВП). Образовавшиеся ВП взаимодействуют с опре­деленными белками, изменяя их конформацию и активность. В результате этого развивается адекватный стимулу клеточный ответ, нередко связан­ный с активацией протеинкиназ. Образование ВП катализирется соответ­ствующими ферментами (не протеинкиназами), которые являются обязательными элементами РСС подобного типа, выполняющими функ­цию усиления исходного сигнала.

Еще одна особенность РСС с ВП заключается в том, что, кроме рецептора-трансдуктора и фермента-усилителя, они включают еще один элемент - гуанилат-связывающие белки (ГСБ), или G-белки. ГСБ в данной системе представляют собой звено, интегрирующее рецептор с фермен­том ВП и регулирующее активность этого фермента. Таким образом, РСС с ВП является трехкомпонентной - сигнал воспринимается рецептором, передается на ГСБ, а с него - на фермент, катализирующий образование ВП.

Известно более 300 разных видов рецепторов, функции которых опосредуются ГСБ. Все они имеют сходные особенности строения: наружный специфичный к сигналу рецепторный домен, трансмембранный домен, включающий 7 альфа-спиральных участков, и внут­ренний трансдукторный домен, структура которого различна у рецепторов разных видов. Функцией трансдукторного домена является взаимодействие с определенным ГСБ.

ГСБ (G-белки) представляют собой гетеротримерные периферические белки, зафиксированные в БЛС остатками жирных кислот. С биохимиче­ской точки зрения, ГСБ - ацилпротеины, белковая часть которых приле­гает к внутриклеточной стороне плазмалеммы. В состав ГСБ входят α-субъединица (Сα) и βγ-субъединица (Сβγ), включающая 2 разных поли­пептида (β и γ ). Сα, состоящая из единственного полипептида, фиксиру­ется в БЛС остатком меристиновой кислоты, а Сβγ - остатком пальмитиновой кислоты, принадлежащем β-полипептиду.

Сα обладает функциями ГТФазы, т.е. способна присоединять ГТФ и гидролизовать его до ГДФ и Фн (неорганического фосфата). Один из продуктов гидролиза, ГДФ, остается связанным с Сα, но при определен­ных условиях может быть "обменен" на ГТФ. Таким образом, Сα всегда связана с ГТФ или ГДФ, благодаря чему весь белок и получил название ГСБ. Замена ГДФ на ГТФ и гидролиз ГТФ в Сα приводят к изменениям конформации ГСБ, на которых основаны его функции. В частности, это служит механизмом цикла диссоциации-ассоциации ГСБ.

Замена ГДФ на ГТФ вызывает изменение конформации ГСБ и, как ре­зультат, диссоциацию ГСБ на субъединицы Сα и Сβγ. Состояние диссо­циации сохраняется до тех пор, пока Сα не осуществит свою ГТФазную функцию. После гидролиза ГТФ она остается связанной с ГДФ и вновь приобретает способность ассоциировать с Сβγ, т.е. формировать ГСБ.

Процесс замены ГДФ на ГТФ регулируется гуанилат-обменивающими белками (ГОБ), или GEP (от англ. G-exchange protein). Одни из них способны стимулировать замену нуклеотидов- ГОБс (GEPs), другие - ингибировать этот процесс - ГОБи (GEPi).

Сα не может самостоятельно гидролизовать ГТФ - для этого требуются регуляторные ГТФаза-активирующие белки (ГАБ, или GAP от GTPase-activating protein). Функциониро­вание ГТБ, в свою очередь, регулируется специальными клеточными механизмами. В част­ости, их функция подавляется инозитолдифосфагом, фосфатидной кислотой и рахидоновой кислотой, которые образуются в клетках после некоторых стимулов. Вторая субъединица ГСБ, Сβγ, не является гуанилат-связывающей, и механизм ее функционирова­ния не связан напрямую с гидролизом ГТФ.

Обнаружено более 20 разных вариантов ГСБ, каждый из которых сопряжен с опреде­ленными рецепторами, т.е. представляет собой элемент конкретной РСС. При этом число видов Сα превосходит таковое Сβγ, что означает возможность взаимной регуляции работы различных РСС В частности, диссоциированные Сα ГСБ одного варианта могут ассоции­ровать с Сβγ другого вида ГСБ, поэтому активация одной РСС способствует снижению активности других РСС.

Несмотря на структурное разнообразие РСС и ГСБ, все они функцио­нирует по универсальной схеме. При отсутствии сигнала все эле­менты РСС (рецептор, ГСБ и фермент) являются неактивными, причем Сα в ГСБ связана с ГДФ. Действие сигнала (сигнальной молекулы, на­пример, гормона или медиатора) на рецептор изменяет конформацию его трансдукторного домена (Рец -> Рец*). В результате этого происходит взаимодействие трансдукторного домена рецептора с ГСБ, связанного с ГДФ (Рец* + ГСБ -> Рец*-ГСБ).

Связь активированного рецептора (Рец*) с ГСБ стимулирует замену ГДФ на ГТФ в Сα с соответствующим изменением конформации ГСБ (Рец*-ГСБ + ГТФ -> Рец*-ГСБ* + ГДФ). Изменение конформации ГСБ (ГСБ -> ГСБ*) приводит к диссоциации всех компонентов комплекса (Рец*-ГСБ* -> Рец + Сα* + Сβγ), причем рецептор возвращается на ис­ходную позицию своего цикла функционирования (Рец* -> Рец). Таким образом, трансдукторный домен рецептора, фактически, играет роль ГОБс - белка, стимулирующего обмен ГДФ на ГТФ в ГСБ.

Диссоциировавшие субъединицы ГСБ принимают участие в новых типах взаимодействий. Сα* (в комплексе с ГТФ), как правило, ассоцииру­ет с конкретным ферментом (Фер), изменяя его конформацию (Сα* + Фер -> Сα*-Фер*). Изменение конформации фермента активирует его катали­тическую функцию, вследствие чего происходит образование большого числа молекул ВП из молекул-предшественников (МП + Сα-Фер* -> Сα-Фер* + ВП).

Синтез ВП идет до тех пор, пока сохраняется комплекс Сα*-Фер*. Че­рез некоторое время Сα*, связанная с ферментом, взаимодействует с ГАБ (белком, активирующим ГТФазную активность), в результате чего проис­ходит гидролиз ГТФ и диссоциация образовавшегося комплекса с потерей активности всех трех элементов (ГАБ + Сα*-Фер* -> ГАБ*- Сα*-Фер* -> ГАБ + Сα +Фер + Фн). Таким образом, продолжительность синтеза ВП определяется временем существования комплекса Са*-Фер*, которое заканчивается при контакте его с ГАБ.

Освободившаяся Сα (уже в комплексе с ГДФ) взаимодействует с Сру, восстанавливая исходную структуру ГСБ (Сα + Сβγ -> ГСБ). Этим завершается цикл активности ГСБ, который вновь приобретает способность связываться с трансдукторным доменом рецептора, т.е. вступать в новый цикл своей активности.

Сру некоторых ГСБ в диссоциированном состоянии могут взаимодействовать с опре­деленными мембранными переносчиками ионов (Пер), изменяя их конформацию (Сβγ + Пер -> Сβγ-Пер*) Следствием этого является изменение (усиление или ослабление) функциональной активности переносчика. Комплекс Сβγ-Пер* существует до тех пор, пока не появятся свободные Сα, выполнившие свою АТФазную функцию. Очевидно, Сβγ обладают большим сродством к Сα, чем к переносчикам, что приводит к диссоциации одного ком­плекса и образованию другого (Сβγ-Пер* + Сα -> ГСБ + Пер) с восстановлением исходной функциональной активности переносчика.

Таким образом, в основе клеточного ответа на сигнал в данных РСС могут лежать 2 процесса синтез ВП (действие Сα*) и изменение концентрации ионов в гиалоилазме (дей­ствие Сβγ). Оба этих процесса, в свою очередь, вызывают каскады определенных внутри­клеточных реакций, формирующих конечный клеточный ответ на соответствующий стимул.

В настоящее время известно несколько РСС с ГСБ. Они формируют в клетке тонко сбалансированную суперсистему, в которой активность одной РСС влияет на активность других РСС. По функции ферментов, активируемых ГСБ, можно выделить 3 категории РСС: нуклеотидциклазные, фосфодиэстеразные и фосфолипазные.

Нуклеотидциклазные РСС представлены двумя конкретными сис­темами: аденилатциклазной РСС и гуанилатциклазной РСС. В обеих системах функционируют ферменты, катализирующие реакцию превра­щения нуклеозидтрифосфата в циклическую форму соответствующего нуклеозидмонофосфата (НТФ -> цНМФ + 2Фн).

Ключевым мембранным ферментом аденилатциклазной РСС является аденилатциклаза (АЦ), с помощью которой молекула АТФ превращается в циклическую форму АМФ - цАМФ. Таким образом, ВП адени­латциклазной РСС представляет собой цАМФ. Активность этой РСС мо­жет индуцироваться рецепторами с разными рецепторными доменами, передающими сигнал на определенный ГСБ_С (ГСБ, стимулирующий АЦ). ГСБс активирует АЦ, в результате чего резко повышается внутриклеточ­ная концентрация цАМФ.

Главной мишенью цАМФ являются ферменты протеинкиназы А (ПКА), которые активируются при взаимодействии молекул цАМФ с соответствующими центрами связывания в регуляторных субъединицах ПКА. Активированные ПКА обеспечивают фосфорилирование опреде­ленного спектра белков по остаткам серина и треонина, изменяя конфор­мацию и функции этих белков - формируя адекватный сигналу клеточный ответ.

В частности, ПКЛ способны фосфорилировать пассивные переносчики ионов Са в клеточных мембранных, т.е. участвовать в регуляции концентрации этого важного для клетки катиона. Некоторые виды активированных ПКА способны транспортироваться в ядро, где они фосфорилируют определенные транскрипционные факторы, участвующие в регуляции работы генов Транскрипционные факторы могут активироваться не только путем фосфорилирования ПКА, но и прямым взаимодействием с молекулами цАМФ.

С помощью аденилатциклазной РСС не только изменяется активность уже существующих белков, но может усиливаться их синтез и даже про­исходить синтез новых белков. В последнем случае аденилатциклазная РСС сходна по своим конечным результатам с действием цитоплазматических рецепторов стероидных и тиреоидных гормонов. Примером такого Функционирования аденилатциклазной РСС является усиление синтеза молекул пассивных переносчиков ионов Са²⁺ в мембране эндоплазматической сети.

В аденилатциклазной РСС функционируют ГСБи, ингибирующие дей­ствие АЦ. Они активируются собственными рецепторами и вызывают прекращение синтеза цАМФ, индуцированного ГСБ_С. Таким образом, ГСБи являются антагонистами ГСБ_С и создают один из элементов регу­ляции клеточных реакций, опосредованных цАМФ и ПКА.

Работа аденилатциклазной РСС регулируется на этапе взаимодействия рецепторов с ГСБ. Эту функцию выполняет белок арестин (фосдуцин), который способен связываться с трансдукторным доменом рецепторов и блокировать его ассоциацию с ГСБс, но не ГСБи. Фосдуцин может фосфорилироваться с помощью ПКА и терять свою функцию арестина, создавая петлю усиления аденилатциклазной РСС.

Еще одним элементом peгуляции действия аденилатциклазной РСС является фермент фосфодиэстераза (ФДЭ). С помощью этого фермента осуществляется реакция, в результате которой цАМФ превращается в нециклическую форму АМФ. Изменяя активность ФДЭ, клетка может регулировать концентрацию цАМФ в гиалоплазме и усиливать (подавление ФДЭ) или ослаблять (активация ФДЭ) клеточные ответы, обусловленные акгивностью АЦ.

Ключевым ферментом гуанилатциклазной РСС является мембранная гуанилатциклаза (ГЦ), которая катализирует превращение ГТФ в цикли­ческий ГМФ (цГМФ). Соответственно, ВП данной РСС - цГМФ.

Как и в аденилатциклазной РСС, активация рецепторов гуанилатцик­лазной РСС приводит к индукции активности определенных ГСБ (замену ГДФ на ГТФ). Соответствующие ГСБ стимулируют функционирование мембранной формы ГЦ, в результате чего в клетке начинает синтезиро­ваться цГМФ. Основная мишень данного ВП -цитоплазматический фер­мент протеинкиназа G(ПКG). ПKG обеспечивает фосфорилирование определенных клеточных белков, которое изменяет их конформацию и активность. Следствием этого является адекватный стимулу ответ клетки.

В частности, с помощью ПKG подавляется работа пассивных переносчиков Na⁺ и Са²⁺, но стимулируется AT ионов К⁺ в клетку. Одним из фосфорилируемых ПКО белком является мембранная АЦ, которая теряет свою активность после фосфорилирования. Таким образом, гуанилатциклазная РСС, кроме прочего, представляет собой антагониста аденилатциклаз­ной РСС, поскольку активация гуанилатциклазной РСС подавляет аденилатциклазную РСС на этапе синтеза ее ВП, цАМФ. С другой стороны, работа гуанилатциклазной РСС, как и аденилатциклазной, может регулироваться с помощью ФДЭ, обеспечивающей снижение концентрации циклических нуклеозидмонофосфатов.