ТРАНСМЕМБРАННАЯ ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА. Трансмембранная передача сигнала

• Название: Трансмембранная передача сигнала
• Анкор: ТРАНСМЕМБРАННАЯ ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА.rtf
• Дата: 02.05.2017
• Размер: 5.01 Mb.
• Имя файла: ТРАНСМЕМБРАННАЯ ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА.rtf
• Тип: Документы; #6375

ТРАНСМЕМБРАННАЯ ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА

Важное свойство мембран - способность воспринимать и передавать внутрь клетки сигналы из внешней среды. "Узнавание" сигнальных 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, ДАГ 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, факторы роста, 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 (глюкагон, инсулин), нейромедиаторы (ацетилхолин, глицин, γ-аминомасляная кислота), факторы роста.

Рецепторы

По локализации различают мембранные, цитоплазматические и ядерные рецепторы. По другой классификации все рецепторы можно разделить на быстроотвечающие (в пределах миллисекунд) 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.



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- предсердного натрийуретического фактора ); 5 - передающие сигнал на аденилатциклазу, например β-адренорецепторы; 6 - связывающие гормон в цитозоле или ядре, например рецептор кортизола.

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 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.

Взаимодействие гормонов с рецепторами, сопряженными с G-белками, приводит к активации аденилатциклазной или инозитолфосфатной регуляторных систем.

Аденилатциклазная система

При участии аденилатциклазной системы реализуются эффекты сотни различных по своей природе сигнальных молекул – гормонов и нейромедиаторов.

Функционирование системы трансмембранной передачи сигналов обеспечивают 5 белков.

• 
  Интегральные белки цитоплазматической мембраны: Rs-рецептор активатора аденилатциклазной системы и R_i-рецептор ингибитора аденилатциклазной системы
  
• 
  Фермент аденилатциклаза
  
• 
  «заякоренныве белки»: G_s-ГТФ-связывающий белок, состоит из α_s, β,γ -субъединиц и G_j-ГТФ-связывающий белок, состоит из α_i, β,γ -субъединиц и одного цитозольного фермента протеинкиназы А (ПКА).
  

Последовательность событий, приводящих к активации аденилатциклазы:

Рецептор имеет два центра связывания: для гормона на наружной поверхности мембраны и для G-белка на внутренней поверхности мембраны.

• 
  Взаимодействие активатора аденилатциклазной системы, например гормона с рецептором (R_s), приводит к изменению конформации рецептора
  
• 
  Увеличивается сродство рецептора к G_s-белку. Образуется комплекс гормон-рецептор.
  
• 
  Присоединение комплекса гормон-рецептор к G_s-ГДФ снижает сродство α-субъединицы G_s-белка к ГДФ и увеличивает сродство к ГТФ. В активном центре α_s-субъединицы ГДФ замещается на ГТФ;
  
• 
  Это вызывает изменение конформации α_s-субъединицы и снижение сродства к βγ-субъединицам
  
• 
  Отделившаяся α_s-ГТФ субъединица латерально перемещается в липидном слое мембраны к центру связывания фермента аденилатциклазы
  

• 
  Взаимодействие α_s- ГТФ субъединицы с аденилатциклазой приводит к изменению конформации фермента, его активации и увеличению скорости образования цАМФ из АТФ;
  
• 
  В клетке повышается концентрация цАМФ – вторичного посредника гормонального сигнала
  
• 
  Молекулы цАМФ могут обратимо соединяться с регуляторными субъединицами протеинкиназы А, которая состоит из 2 регуляторных и 2 каталитических субъединиц
  
• 
  Присоединение цАМФ к регуляторным субъединицам вызывает диссоциацию комплекса, каталитические субъединицы отделяются и становятся активными
  
• 
  Активная протеинкиназа А с помощью АТФ 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.

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.

Инозитолфосфатная система

Инозитолфосфатная система включает 3 мембранных белка:

• 
  R- рецептор активатора инозитолфосфатной системы – интегральный белок
  
• 
  Фосфолипаза С - поверхностный белок
  
• 
  G_plc – ГТФ-связывающий белок активирует фосфолипазу С – заякоренный белок
  

Работу системы обеспечивают белок кальмодулин, фермент протеин киназа С, регулируемые Са²⁺ -каналы мембраны ЭПР, Са²⁺ -АТФаза клеточной и митохондриальной мембран



Последовательность событий, приводящих к активации фосфолипазы С:

• 
  связывание сигнальной молекулы, например гормона с рецептором (R), вызывает изменение конформации и увеличение сродства к G_р1с-белку.
  
• 
  образование комплекса гормон-рецептор G_рlс-ГДФ приводит к снижению сродства α_рlс-протомера G_рlс-белка к ГДФ и увеличению сродства к ГТФ. В активном центре α_рlс-субъединицы ГДФ заменяется на ГТФ.
  
• 
  это вызывает изменение конформации α_рlс-субъединицы и она отделяется от βγ-
  

субъединицы

• 
  отделившаяся α- ГТФ субъединица латерально перемещается по мембране к центру связывания фермента фосфолипазы С.
  
• 
  взаимодействие α- ГТФ субъединицы с фосфолиггазой С изменят конформацию и активность фермента, увеличивается скорость гидролиза фосфолипида клеточной мембраны фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата (ФИФ₂).
  

• 
  в ходе гидролиза образуется и выходит в цитозоль гидрофильное вещество инозитол-1,4,5-трифосфат (ИФ₃). Другой продукт реакции диацилглицерол (ДАГ) остаётся в мембране и участвует в активации фермента протеинкиназы С (ПКС).
  
• 
  инозитол-1,4,5-трифосфат (ИФ₃) связывается специфическими центрами Са²⁺-канала мембраны ЭР, это приводит к изменению конформации белка и открытию Са²⁺-канала. Са²⁺ по градиенту концентрации поступает в цитозоль. В отсутствие в цитозоле ИФ₃ канал закрыт.
  

Активация протеинкиназы С

• 
  Повышение концентрации Са²⁺ в цитозоле клетки увеличивает скорость взаимодействия Са²⁺ с неактивным цитозольным ферментом протеинкиназой С (ПКС) и белком кальмодулином.
  
• 
  Связывание протеинкиназы С с ионами кальция позволяет ферменту вступать в кальций-опосредованное взаимодействие с молекулами "кислого" фосфолипида мембраны, фосфатидилсерина (ФС). Диацилглицерол, занимая специфические центры в протеинкиназе С, ещё более увеличивает её сродство к ионам кальция.
  

• 
  На внутренней стороне мембраны образуется ферментативный комплекс – (ПКС ▪ Са²⁺ ▪ ДАГ ▪ ФС) - активная протеинкиназа С, фосфорилирующая специфические ферменты по серину и треонину.
  

Участие белка кальмодулина в инозитолфосфатной передаче сигнала

В клетках многих тканей присутствует белок кальмодулин, который функционирует как внутриклеточный рецептор Са²⁺, он имеет 4 центра для связывания Са²⁺. При повышении концентрации кальция он присоединяется к кальмодулину, образуя комплекс (4Са²⁺-кальмодулин) и этот комплекс взаимодействует с различными белками и ферментами приводит к их активации, повышая скорость фосфорилирования по серину и треонину.

Как и большинство систем трансмембранной передачи сигналов, инозитолфосфатная система имеет не только механизм усиления, но и механизм подавления сигнала. Присутствующие в цитозоле инозитол-1,4,5-трифосфат (ИФ₃) и диацилглицерол (ДАТ) в мембране могут в результате серии реакций опять превращаться в фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат (ФИФ₂). Ферменты, катализирующие восстановление фосфолипида, активируются фосфорилированием протеинкиназой С.

Концентрация Са²⁺ в клетке снижается до исходного уровня при действии Са²⁺-АТФ-аз цитоплазматической мембраны и ЭР, а также Na⁺/Ca²⁺-и Н⁺/Са²⁺-транслоказ (активный антипорт) клеточной и митохондриальной мембран.

Функционирование транслоказ Са²⁺ и Са²⁺-АТФ-аз может активироваться:

• 
  комплексом (4Са²⁺-кальмодулин);
  
• 
  протеинкиназой А (фосфорилированием);
  
• 
  протеинкиназой С (фосфорилированием). Понижение концентрации Са²⁺ в клетке и диацилглицерола в мембране приводит к изменению конформации протеинкиназы С, снижению её сродства к фосфатидилсерину, фермент диссоциирует в цитозоль (неактивная форма). Фосфорилированные протеинкиназой С ферменты и белки под действием фосфопротеинфосфатазы переходят в дефосфорилированную форму.
  

Рецепторы с гуанилатциклазной активностью

Гуанилатциклаза катализирует образование цГМФ из ГТФ, одного из важных посредников внутриклеточной передачи сигнала.



Регуляция активности мембранной (1) и цитозольной (2) гуанилатциклазы.

Гуанилатциклаза находится в клетке, как в мембранно-связанном 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 мембранно-связанная 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.

Мембранно-связанная гуанилатциклаза - 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 тканях человека присутствуют 3 типа мембранно-связанных гуанилатциклаз, в активации которых принимают участие специфические регуляторы - предсердный натрийуретический фактор (ПНФ), натрийуретический пептид из мозга и кишечный пептид гуанилин.

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⁺.

Передача сигнала с помощью внутриклеточных рецепторов

Передача сигнала липидорастворимых стероидных гормонов и тироксина возможна только при прохождении этих гормонов через плазматическую мембрану клеток-мишеней.



Передача сигнала на внутриклеточные рецепторы.

Рецепторы гормонов могут находиться в цитозоле или в ядре. Цитозольные рецепторы связаны с белком-шапероном, который предотвращает преждевременную активацию рецептора. Ядерные и цитозольные рецепторы стероидных и тиреоидных гормонов содержат ДНК-связывающий домен, который обеспечивает в ядре взаимодействие комплекса гормон-рецептор с регуляторными сайтами ДНК.

Последовательность событий, приводящих к экспрессии специфических белков:

• 
  гормон проходит через двойной липидный слой клеточной мембраны и взаимодействует с рецептором.
  
• 
  комплекс гормон-рецептор проходит в ядро, взаимодействует с регуляторной нуклеотидной последовательностью в ДНК - энхансером или сайленсером.
  
• 
  увеличивается (при взаимодействии с энхансером) или уменьшается (при взаимодействии с сайленсером) доступность промотора для РНК-полимеразы.
  
• 
  соответственно увеличивается или уменьшается скорость транскрипции структурных генов.
  
• 
  зрелые мРНК выходят из ядра
  
• 
  увеличивается или уменьшается скорость трансляции.
  
• 
  изменяется количество белков, которые могут влиять на метаболизм и функциональное состояние клетки.
  

Эффекты гормонов, которые передают сигнал через внутриклеточные рецепторы, нельзя наблюдать сразу, так как на протекание матричных процессов (транскрипцию и трансляцию) требуется время.

Специфичность сигнализации

Для исследователей, имеющих представление о количестве сигнальных молекул, о соответствующем количестве рецепторов, о трансмембранных системах передачи сигналов, вторичных посредниках, остаётся загадкой, как протеинкиназы выбирают соответствующий фермент метаболического пути для фосфорилирования. Исследователи для объяснения этого явления предлагают "гипотезу мишени". По этой гипотезе специфичность протеинкиназ и фосфопротеинфосфатаз достигается путём образования компартментов на мембране, в состав которых входят не только сами протеинкиназы и фосфопротеинфосфатазы, но и специфические белки-субстраты. Наличие остатка миристиновой или пальмитиновой кислоты в структуре белков-субстратов - условие их "заякоривания" в соответствующем мембранном компартменте.

Однако в большинстве случаев процесс активации какого-либо метаболического процесса находится под контролем не одной, а нескольких систем внутриклеточной сигнализации, поэтому важным фактором ответа клеток служит взаимосвязь этих систем.