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: 14 из 18

Фосфодиэстеразные РСС содержат в качестве ключевого фермента мембранные фосфодиэстеразы (ФДЭ), которые катализируют реакции превращения цАМФ и цГМФ в их нециклические формы (АМФ и ГМФ) путем гидролиза циклической фосфодиэфирной связи. Фосфодиэстераз­ные РСС активируются определенными рецепторами, взаимодействую­щими с соответствующими ГСБ, которые стимулируют функцию ФДЭ.

В результате активации ФДЭ падает концентрация цАМФ и/или цГМФ в гиалоплазме. С этой точки зрения, фосфодиэстеразные РСС яв­ляются антагонистами нуклеотидциклазных РСС, снижающими концен­трацию их ВП. Благодаря этому, с помощью фосфодиэстеразных РСС клетка может регулировать работу нуклеотидциклазных РСС.

Активность ФДЭ подавляется кофеином, что проявляется повы­шением концентрации цАМФ в определенных нейронах, вызываю­щей известные возбуждающие эффекты кофеина.

В специализированных клетках фосфодиэстеразные РСС могут играть самостоятель­ную роль. В светочувствительных клетках сетчатки глаза (палочках) молекулы цГМФ постоянно стимулируют работу пассивных переносчиков Na в плазмалемме, в результате чего она слабо поляризована.

Под действием квантов света специфический рецептор родопсин активирует ГСБ трансдуции, который стимулирует действие мембранной ФДЭ. Активация ФДЭ приводит к резкому снижению концентрации цГМФ, превращающегося в физиологически неактивный ГМФ, и закрыванию канатов для Na. В результате этого формируется мощный градиент ионов Na, мембрана гиперполяризуется и возникает потенциал действия в фоторецепторной клетке (орган зрения реагирует на световой стимул).

Фосфолипазные РСС имеют в своем составе ключевые ферменты фосфолипазы, катализирующие реакции гидролиза мембранных фосфолипидов. Известны 3 вида фосфолипазных РСС: фосфатидилинозитоловая, фосфатидилхолиновая и сфингомиелиновая.

В фосфатидилинозитоловой РСС функционирует мембранная форма фосфолипазы С (ФЛС), ФЛСγ, субстратом которой является мембранный липид фосфатидилинозитолдифосфат (ФИФ₂). ФЛС обеспечивает гид­ролиз ФИФ₂ с образованием инозитолтрифосфата(ИФ₃) и диацилглицерола (ДАГ), которые оба являются ВП данной РСС.

Фосфатидилинозитоловая РСС активируется соответствующими ре­цепторами, трансдукторные домены которых взаимодействуют с опреде­ленным ГСБ. Активированный ГСБ стимулирует работу мембранной ФЛС, в результате чего из ФИФ₂ образуются ДАГ, остающийся в БЛС, и ИФ₃, мигрирующий в гиалоплазму.

В гиалоплазме ИФ₃ взаимодействует с пассивными переносчиками Са²⁺ в мембране эндоплазматической сети. Он активирует их (открыва­ет), в результате чего повышается концентрация этого иона в гиалоплаз­ме. Таким образом, ионы Са²⁺ являются третичным посредником данной РСС, участвующим в активации специальных белков. Са⁺² в гиалоплазме взаимодействует с кальмодулином (КМ), изменяя его конформацию. Ком­плекс Са²⁺-КМ, в свою очередь, контактирует с другими белками, влияя на их конформацию и функциональную активность.

Одним из таких белков является Са²⁺-кальмодулинзависимая проте­инкиназа (КМЗПК), которая в комплексе с Са²⁺-КМ приобретает способ­ность катализировать фосфорилирование определенных клеточных белков, изменяя их функции.

Так, данная протеинкиназа путем фосфорилирования инактивируст Са²⁺-каналы эндоплазматической сети. В результате этого активированные с помощью ИФЗ переносчики Са через некоторое время обязательно инактивируются, предотвращая создание избыточ­ной концентрации Са²⁺ в гиалоплазме. Таким образом, в данной ситуации сформирована система регуляции по принципу отрицательной обратной связи.

Кроме Ca²⁺-каналов КМЗПК фосфорилирует (активирует) антипоргер, ионообменник Na⁺/H⁺, локализованный в плазмалемме, и целый ряд цитоплазматических белков, напри­мер, некоторые транслокаторы ТТС. Фосфорилирование с помощью данной протеинкиназы может вызывать и подавление функций некоторых белков. Это касается одного из факторов трансляции (ЭФ-2), фосфорилирование которого приводит к приостановке процесса синтеза полипептидов.

Ионы Са²⁺ в гиалоплазме связываются цитоплазматической формой фермента протеинкиназы С (ПКС), которая после этого встраивается в плазмалемму, образуя в ней комплекс с фосфатидилсерином, т.е. пре­вращаясь в липопротеид. Неактивная мембранная ПКС взаимодействует с другим ВП фосфатидилинозитоловой РСС - ДАГ, который находится в БЛС плазмалеммы. Результат этого взаимодействия - активация ПКС, с помощью которой фосфорилируются определенные белки плазмалеммы.

В частности, активация ПКС приводит к подавлению функций Са-каналов в плазмалемме, цитоплазматических доменов ряда рецепторов, некоторых ГСБ. С другой стороны, ПКС, как и КМЗПК, стимулирует ионообменник Na⁺/H⁺ плазмалеммы. ПКС способна фосфорилировать определенные белки СФ, способствуя перестройке цитоскелета. Это необходимо при активном движении клеток, например, макрофагов.

В фосфатидилинозитоловой РСС, как и аденилатциклазной, обнаружены не только ГСБс (стимулирующие ФЛС), но и ГСБи (ингибирующие активность ФЛС), т.е. эта система включает антагонистический механизм регуляции. Фосфатидилинозитоловая РСС имеет петлю усиления своей функции. Она обеспечивается ферментом диацилглицероллипазой, которая катализирует гидролиз ДАГ с образованием жирных кислот, в том числе - арахидоновой кислоты. В данной ситуации арахидоновая кислота функционирует как активатор ПКС, т.е. третичный посредник, усиливающий действие вторичного (ДАГ), из которого он и образуется.
Аналогами ДАГ являются форболовые эфиры, которые не могут расщепляться в организме. Если они попадают в организм, то стано­вятся долгодействующим активатором ПКС, которая стимулирует размножение клеток и, как следствие, возникновение опухолей.

По отношению к другим РСС, фосфатидилинозитоловая РСС является антагонистом. Это определяется тем, что активация ПКС приводит к фосфорилированию и подавлению функций рецепторов и ГСБ иных РСС.

Второй вариант фосфолипазных РСС фосфатидилхолиновая, или арахидонатная РСС. Ключевой фермент этой системы представляет со­бой мембранную фосфолипазу А₂ (ФЛА₂), специфичную к фосфатидилхолину. Она катализирует его гидролиз с образованием лизофосфатидилхолина и жирной кислоты, которой часто оказывается арахидоновая кислота (АК, арахидонат). Таким образом, ВП этой РСС является арахидонат, находящийся в составе фосфатидилхолина и «от­щепляемый» с помощью ФЛА₂.

Арахидонатная РСС активируется определенными рецепторами и соответствующими им ГСБ, которые стимулируют активность ФЛА₂ и обра­зование АК с лизофосфатидилхолином. АК, в свою очередь, способна взаимодействовать с целым рядом белков, изменяя их конформацию и функции.

В частности, зарегистрировано ингибирующее действие АК в отношении пассивных переносчиков Na⁺, Са²⁺ и Сl, локализованных в плазмалемме. С другой стороны, АК акти­вирует определенные К⁺-каналы плазмалеммы. В нервных и мышечных клетках это приводит к гиперполяризации мембраны, вызы­вающей торможение возникновения потенциала действия и других клеточных процессов. В секреторных клетках АК подавляет индуцируемый ионами Са экзоцитоз.

Роль АК заключается и в том, что она способна подвергаться внутриклеточному мета­болизму с помощью ферментов циклоксигеназы и липоксигеназы. В результате метаболиз­ма АК образуются биологически активные молекулы (простагландины, тромбоксаны и лейкотриены), регулирующие важные для клеток процессы. К таким процессам относятся полимеризация актина, дезинтеграция стресс-фибрилл (пучков МФ), активация некоторых генов и деление клеток.

Арахидонатная РСС выступает в качестве антагониста аденилатцик­лазной РСС, так как АК способна подавлять функции ключевого фермен­та этой системы, АЦ АК может активировать ПКС и, с этой точки зрения, частично дублировать эффекты фосфатидилинозитоловой РСС.

С другой стороны, функции ФЛА₂ могут индуцироваться повышенной концентрацией Са²⁺ - третичного посредника фосфатидилинозитоловой РСС, которая в данной ситуации дублирует эффекты арахидонатной РСС. Наконец, АК способна взаимодействовать с ГАБ, стимулирующими гидролиз ГТФ в ГСБ, и подавлять их функцию. В этом случае арахидо­натная РСС служит усилителем функций других РСС, так как АК увеличивает время работы соответствующих ключевых ферментов РСС.

Третьим вариантом фосфолипазных РСС является сфингомиелиновая, или церамидная РСС. Ключевой фермент этой системы - одна из форм фосфолипазы С, нейтральная Мg²⁺-зависимая сфингомиелиназа (СМ). СМ специфична к сфингомиелину и катализирует его расщепление на фосфохолин и церамид, который и представляет собой ВП данной РСС.

Церамидная РСС активируется специальными рецепторами, что, ве­роятнее всего, через особый ГСБ, приводит к индукции активности СМ и образованию церамида. Этот ВП, в свою очередь, стимулирует актив­ность целого ряда белков, среди которых есть специфические протеинки­назы.

Одной из таких протеинкиназ является протеинкиназа митоз-активирующих белков, индуцирующих деление клеток. Среди протеинкиназ, активируемых церамидом, обнаруже­на ПКС, не стимулируемая ДАГ, но сходная по функциям с ПКС фосфатидилинозитоловой РСС С этой точки зрения, церамидная РСС может частично дублировать эффекты данной фосфолипазной РСС. Кроме того, церамид способен взаимодействовать с одной из цито­плазматических протеинфосфатаз, после чего она встраивается в плазмалемму и дефосфо-рилирует определенные белки, являясь в данном случае антагонистом протеинкиназ других РСС, фосфорилирующих эти белки.

Таким образом, рецепторно-сигнальная функция ПА клетки осущест­вляется сложнейшей суперсистемой связанных между собой РСС. Харак­тер этих связей усложняется и тем, что протеинкиназные домены рецепторов могут иметь одинаковые субстраты фосфорилирования с про-теинкиназами, функционирующими в системах ВП. Взаимодействие ре­цепторов с сигнальными молекулами вызывает сложный каскад внутриклеточных реакций, приводящих к определенному клеточному ответу.

Существенно, что в клетке имеются механизмы регуляции силы и длительности реак­ции клетки на сигнал. Так, снижение чувствительности рецепторов к сигналу, или десенти-зация рецепторов, может реализоваться, по крайней мере, двумя путями. Первый из них -фосфорилирование трансдукторных доменов рецепторов, которое препятствует передаче трансформированного сигнала на соответствующий ГСБ. Например, ПКА и ПКС способны действовать на гетерологичные рецепторы, т.е. рецепторы, входящие в другие РСС.

Кроме того обнаружены особые протеинкиназы - киназы рецепторов, которые активи­руются диссоциированными Сβγ, т.е. передача сигнала в данной РСС подавляется через определенное время одним из собственных элементов этой РСС. В этом случае десентизация рецепторов осуществляется по механизму отрицательной обратной связи. Вторым путем десентизации рецепторов может быть их эндоцитоз после взаимодействия с сигналом и внутриклеточное расщепление в лизосомах.

В некоторых РСС рецепторы оказываются чувствительными к регуляторным белкам арестинам, которые присоединяются к трансдукторному домену рецептора и препятствуют передаче сигнала на ГСБ. ВП и гетерологичные протеинкиназы могут изменять конформацию и активность ГСБ, ГОБ, ГАБ и ключевых ферментов, что также является элементом регуляции действия РСС.

Сложность работы РСС всей клетки определяется еще двумя обстоятельствами. Во-первых, одну и ту же конкретную РСС можно активиро­вать разными сигналами. Это определяется существованием рецепторов, специфичных к разным сигналам, но имеющих трансдукторные домены, взаимодействующие с одинаковыми ГСБ. Благодаря этому в разных по функциям клетках такие рецепторы активируют функции одинаковых ключевых ферментов. Более того, если подобные рецепторы имеются в составе ПА одной клетки, создается возможность дублирования опреде­ленного ответа с помощью разных сигналов.

В частности, аденилатциклазная РСС может активироваться адреналином, адренокортикотропином, липотропином, кальцитонином, глюкагоном. Фосфатидилинозитоловая РСС аналогично реагирует на адреналин, ацетилхолин, гасгрин, вазопрессин (АДГ).

Во-вторых, известны рецепторы, имеющие одинаковую специфич­ность, но разные трансдукторные домены, т.е. взаимодействующие с раз­личными ГСБ. Вследствие этого, один и тот же сигнал может активировать разные РСС.

Так, адреналин через один тип рецепторов (αl-рецепторы) активирует фосфатидилинозитоловую РСС, а через другой (β-рецепторы) - аденилатциклазную. Существует и третий тин адренэргических рецепторов (α2-рецепторы), посредством которых адреналин подавля­ет активность аденилатциклазной РСС.

Таким образом, разнообразие рецепторов позволяет клетке тонко регулировать свои ответы на внеклеточные стимулы, что необходимо для сохранения гомеостаза в изменчивых условиях существования. При этом важно и то, что одинаковый сигнал, запускающий активность определен­ной РСС, может реализоваться по-разному в клетках, выполняющих спе­циализированные функции. Такие клетки различаются по набору внутриклеточных белков, поэтому изменение их функций (например, фосфорилирование с помощью протеинкиназы) вызывает и специфичный для данной клетки ответ на стимул.

Знание механизмов осуществления рецепторно-сигнальной функции имеет принципиальное значение для медицины. Известно огромное количество болезней, включая наследственные, причиной которых являются дефекты конкретных РСС. При этом различные аномалии одной и той же РСС, как правило, проявляются одинаково, но требуют различных методов лечения.

У человека причиной нанизма (карликовости, при которой рост мужчин не превышает 130 см, а женщин - 120 см) могут быть раз­личные наследственные дефекты: дефицит гормона роста, дефицит или аномалии структуры рецепторов гормона роста, дефицит или аномалии соответствующего ГСБ, функционирующего в данной РСС. Наконец, у представителей африканского племени пигмеев нанизм обусловлен наследственным дефицитом соматомедина С, медиатора действия гормона роста. Уровень гормона роста у пигмеев находится в пределах нормы, структура и количество рецепторов этого гормона и соответствующего ГСБ также являются нормаль­ными.

Дефекты РСС могут приводить к возникновению опухолей. В этом случае изменяется структура и функции белков РСС, контро­лирующих процесс деления клетки. Такие наследственно изменен­ные белки объединяют в группу онкобелков. Доказано, что причиной опухолеобразования могут быть дефекты определенных гормонов (факторов роста), их рецепторов с протеинкиназными доменами, рецепторов стероидных и тиреоидных гормонов, определенных ГСБ, мембранных и цитоплазматических протеинкиназ и транскрипцион­ных факторов, фосфорилируемых протеинкиназами. Как правило, онкобелки характеризуются повышенной активностью и нечувстви­тельностью к регуляции в собственной РСС. Именно это приводит к интенсивному и неконтролируемому делению клеток - условию воз­никновения опухоли.

Большое количество патологических состояний организма можно корригировать с помощью фармакологических препаратов, влияющих на определенные элементы РСС. Практически для каждого рецептора удается обнаружить вещества, которые не синтезируются в организме, но способны активировать рецептор (препараты-агонисты) или блокировать его функции (препараты-антагонисты). При введении агонистов можно добиться усиления активности РСС и соответствующих функций организма, я при введении антагонистов - ослабления. Естественно, агонистами формально являются вводимые в организм гормоны или медиаторы при их дефици­те.

В определенных нейронах высших животных и человека имеются рецепторы к пептидным гормонам гипофиза эндорфинам. Эти рецеп­торы являются компонентами РСС, подавляющей функции АЦ и, соответственно, снижающей внутринейронный уровень цАМФ. При действии эндорфинов уменьшается болевая чувствительность (эф­фект анальгезии), повышается социальная общительность, создается чувство благополучия (эйфория), подавляются элементы полового поведения. Все эти эффекты вызываются торможением определен­ных нервных процессов, что проявляется в условиях стресса, при которых уровень эндорфинов в организме повышается.

Агонистами эндорфинов являются некоторые наркотические вещества, содержащиеся в апие, например, морфин (морфий), поэто­му рецепторы эндорфииов получили название опиатныхрецепторов. Таким образом, прием морфина вызывает снижение концентрации цАМФ в определенных нейронах, создавая эйфорическое состояние со снижением болевой чувствительности, которое не является нор­мой для организма.

Однократное сильное или регулярное снижение уровня цАМФ в нейронах вызывает клеточную реакцию, направленную на нормали­зацию, - увеличение концентрации ВП. Это выражается в интенси­фикации синтеза АЦ, количество которой в плазмалемме существенно увеличивается. В результате после прекращения дейст­вия наркотика уровень цАМФ надолго выходит за пределы естест­венной нормы (повышается) из-за устранения ингибирующего действия РСС на АЦ.

Следствием этого является возникновение функциональных рас­стройств организма, проявляющихся в виде депрессии и сильных болевых ощущений. Уровень эндорфинов в организме недостаточен для преодоления этого состояния, поэтому возникает потребность его устранения с помощью очередной дозы морфина. Так возникает за­висимость организма от наркотика, наркотическая зависимость, которая может сформироваться уже после первого приема морфина и ему подобных препаратов.

В такой ситуации (повышенный уровень АМФ) для достижения эйфорического состояния очередной прием наркотика в исходной дозе оказывается неэффективным, так как количество АЦ превыша­ет ее нормальный уровень. Следствием этого является развитие то­лерантности (нечувствительности, устойчивости) к данной дозе морфина. На фоне развития толерантности наркоман (зависимый от наркотика человек) вынужден принимать более высокую дозу нар­котика, приводящую к дальнейшему увеличению количества АЦ в нейронах. В итоге формируется порочный круг наркомании: доза - толерантность к ней - увеличение дозы - толерантность к ней - дальнейшее увеличение дозы и т.д., - при котором зависимость от наркотика становится все сильнее и сильнее.

При наркотической зависимости попытка наркомана прекратить прием морфина (опиатных наркотиков) вызывает ломку - тяжелые расстройства многих функций организма с сильнейшими болевыми ощущениями. Аналогичный синдром отмены наркотика наблюдает­ся у новорожденных детей матерей-наркоманок. Наркотическая за­висимость может возникать и у людей, регулярно принимающих лекарственные наркотические препараты в качестве анальгетиков (болеутоляющих средств) для снятия сильных болевых ощущений, возникающих, например, при многих онкологических заболеваниях.