Некоторые гормоны , в том числе стероиды коры надпочечников и гонад, гормоны щитовидной железы, ретиноидные гормоны и витамин D, связываются с белковыми рецепторами в основном внутри клетки, а не на ее поверхности. Эти гормоны жирорастворимы, поэтому легко проникают через мембрану и взаимодействуют с рецепторами в цитоплазме или ядре. Активированный гормон-рецепторный комплекс взаимодействует со специфическим регулятором (промоутером) последовательности в ДНК, называемым элементом гормонального ответа.
Таким образом, он активирует или репрессирует транскрипцию конкретных генов и образование матричной РНК, поэтому через несколько минут, часов и даже дней после поступления гормона в клетку в ней появляются вновь сформированные белки и становятся регуляторами новых или измененных функций клетки.
Многие ткани имеют идентичные внутриклеточные гормональные рецепторы , однако гены, регулируемые этими рецепторами, различны. Внутриклеточные рецепторы могут активировать генный ответ только в случае наличия в клетке соответствующих комбинаций ген-регуляторных белков. Многие из этих протеин-регуляторных комплексов имеют в разных тканях свои особенности, поэтому ответ различных тканей предопределяется не только специфичностью рецепторов, но также генами, которые регулируются через эти рецепторы.
Механизмы вторичных посредников
Ранее мы отметили один из способов , с помощью которого гормоны вызывают ответы клеток и стимуляцию образования вторичного посредника цАМФ внутри клетки. Затем цАМФ становится причиной запуска последовательных внутриклеточных ответов на действие гормона. Итак, непосредственное действие гормона на клетку заключается в активации индуцирующего рецептора на мембране, а вторичные посредники обеспечивают остальные реакции.
цАМФ - не единственный вторичный посредник, используемый гормонами. Существуют два других, наиболее важных посредника: (1) ионы кальция, сопряженные с кальмодулином; (2) фосфолипидные фрагменты мембран.
Присоединение гормона к рецептору позволяет последнему взаимодействовать с G-белком. Если G-белок активирует систему аденилатциклаза-цАМФ, его называют Gs-белком, указывая на стимулирующую роль G-белка. Стимуляция аденилатциклазы, связанной с мембраной фермента посредствам Gs-белка, катализирует превращение небольшого количества присутствующего в цитоплазме аденозинтрифосфата в цАМФ внутри клетки.
Следующий этап опосредован активацией цАМФ-зависимой протеинкиназой, которая фосфорилирует специфические белки в клетке, запуская биохимические реакции, что гарантированно обеспечивает ответ клетки на действие гормона.
Как только цАМФ образуется в клетке, это обеспечивает последовательную активацию ряда ферментов, т.е. каскадную реакцию. Таким образом, первый активированный фермент активирует второй, который активирует третий. Задача такого механизма заключается в том, что небольшое количество молекул, активированных аденилатциклазой, может активировать значительно большее количество молекул на следующем этапе каскадной реакции, что является способом усиления ответа.
В итоге благодаря этому механизму ничтожно малое количество гормона, действующее на поверхность мембраны клетки, запускает мощный каскад активирующих реакций.
Если гормон взаимодействует с рецептором , сопряженным с тормозящим G-белком (Gi-белок), это снижает образование цАМФ и, как следствие, снижает активность клетки. Следовательно, в зависимости от взаимодействия гормона с рецептором, сопряженным с активирующим или тормозящим G-белком, гормон может как увеличивать, так и уменьшать концентрацию цАМФ и фосфорилирование ключевых белков клетки.
Специфичность эффекта , наблюдаемого в ответ на увеличение или уменьшение цАМФ в различных клетках, зависит от природы внутриклеточных механизмов: некоторые клетки имеют один набор ферментов, другие - иной. В связи с этим реакции, вызываемые в клетках-мишенях, разнообразны. Например, инициация синтеза специфических химических соединений вызывает сокращение или расслабление мышц либо процессы секреции в клетках или изменение проницаемости мембран.
Клетки щитовидной железы , активированные цАМФ, образуют метаболические гормоны - тироксин или трииодтиронин, в то время как тот же цАМФ в клетках надпочечников приводит к синтезу стероидных гормонов коры надпочечников. В клетках тубулярного аппарата почек цАМФ повышает проницаемость для воды.
Вторичные посредники (вторичные мессенджеры) – компоненты системы передачи сигнала в клетке. Представляют собой низкомолекулярные химические соединения, имеющие специфическую систему синтеза и распада. В покое их мало. Концентрация ВП быстро изменяется под действием внеклеточных сигналов (гормонов, нейромедиаторов). ВП имеют четкие специфические мишени (эффекторные белки), через которые опосредуют ответ клетки.
ВП характеризуются следующими свойствами: имеют небольшую молекулярную массу и с высокой скоростью диффундируют в цитоплазме; быстро расщепляются и быстро удаляются из цитоплазмы. Вторичные посредники должны иметь высокую скорость синтеза и распада: при низкой скорости метаболизма они не буду успевать за быстрыми изменениями в стимуляции рецептора.
Выделяют 3 группы вторичных посредников.
- Гидрофильные молекулы (цАМФ, цГМФ, IP 3 , Ca 2+ , Н 2 О 2) действуют в цитозоле.
- Гидрофобные молекулы (диацилглицеролы ДАГ и фосфатидилинозитолы PIP n ) действуют в мембранах локально.
- Газы
(NO, CO, H2S) являются короткоживущими, но относительно стабильными, продуктами активных форм кислорода; они растворимы в цитозоле и могут проникать в клетку извне через плазматическую мембрану.
Сигнальные системы с использованием вторичных посредников имеют три уровня усиления сигнала . Первое усиление происходит на уровне мембраны. Пока Рецептор связан с лигандом, он активирует несколько мишеней (G-белков). Пока ГТФ находится в активном центре G-белка, он в свою очередь, активирует несколько эффекторов. Эти эффекторы составляют второй, и самый мощный, уровень усиления сигнала. Как правило, они являются ферментами с высокой каталитической силой и числом оборотов. В их задачу входит синтез многочисленных вторичных посредников. Это составляет третий этап усиления.
Вторичные посредники участвуют в передаче сигналов от мембранных рецепторов, сопряженных с G-белками.
Пути сигнальной трансдукции с участием G-белков - протеинкиназ включает следующие этапы .
1) Лиганд связывается с рецептором на мембране клетки.
2) Связанный с лигандом рецептор, взаимодействуя с G-белком, активирует его, и активированный G-белок связывает ГТФ.
3) Активированный G-белок взаимодействует с одним или несколькими следующими соединениями: аденилатциклазой, фосфодиэстеразой, фосфолипазами С, А 2 , D, активируя или ингибируя их.
4) Внутриклеточный уровень одного или нескольких вторичных мессенджеров, таких, как цАМФ, цГМФ, Са 2+ , IP 3 или DAG, возрастает или снижается.
5) Увеличение или уменьшение концентрации вторичного мессенджера влияет на активность одной или нескольких зависимых от него протеинкиназ, таких, как цАМФ-зависимая протеинкиназа (протеинкиназа А), цГМФ-зависимая протеинкиназа (ПКG), кальмодулинзависимая протеинкиназа (КМПК), протеинкиназа С. Изменение концентрации вторичного мессенджера может активировать тот или иной ионный канал.
6) Уровень фосфорилирования фермента или ионного канала изменяется, что влияет на активность ионного канала, обуславливая конечный ответ клетки.
(Более подробная схема):
5. Классификация мембранных рецепторов.
По структуре и механизму действия, 4 основные группы, являющихся интегральными мембранными белками. Рецепторы, непосредственно сопряженные с ионными каналами (N-холиноРецепторы, например) (ligand-gated ion channels, LGIC) и Рецепторы, сопряженные с тримерными G-белками (М-холиноРецепторы, например)(G-protein coupled receptors, GPCR) составляют две наиболее известные и характеризованные группы. В группе рецепторов, непосредственно сопряженных с ферментами (Рецепторы инсулина, непосредственно сопряженные с тирозинкиназой, например) - несколько подгрупп: рецепторные тирозиновые киназы (receptor protein tyrosine kinases, RPTK) и небольшая группа рецепторных серин/треониновых киназ , а также Рецепторы-ферменты с некиназной активностью , такие как гуанилатциклазные (guanylyl cyclase, GCase). 4- цитокиновые Рецепторы (cytokine receptors, CR) (Рецепторы интерферонов α, β, γ, например). По способу действия они очень похожи на RРTK, но не имеют своей ферментативной активности и привлекают в качестве партнеров ферменты из цитозоля. Последними, в основном, являются протеинкиназы, которые связывают активированные цитокиновые Рецепторы и только после этого фосфорилируют специфические субстраты, таким способом передавая сигнал в цитоплазму. Следует отметить, что мембранная локализация всех этих рецепторов не означает их расположения исключительно на поверхности клетки. Они могут находиться также и на внутренних мембранах органелл, например, на эндосомах, митохондриях или эндоплазматическом ретикулуме.
По функциональной нагрузке: ионотропные и метаботропные . По сути, это разделение отражает тип клеточного ответа при активации этих рецепторов. Согласно названию, ионотропные Рецепторы регулируют ионные токи, т.е. управляют лиганд-зависимыми ионными каналами. Они быстро меняют мембранный потенциал и, таким образом, опосредуют наиболее быстрые реакции клеток на воздействия внешней среды (зрительные, вкусовые и обонятельные клетки). Напротив, метаботропные Рецепторы регулируют внутри клетки метаболические превращения (потоки энергии). Они используют адаптерные белки и ферменты для эстафетной передачи сигнала и изменения активности ферментов-мишеней.
6.Способы регуляции активности ферментов: изменение количества молекул белка или его посттрансляционные модификации. Типы посттрансляионных модификаций, используемых рецепторами для передачи сигнала. Примеры.
Гормоны активируют эффекторные системы рецепторов - изменение активности внутриклеточных ферментов. Под контролем гормонов 6 из 8 механизмов регуляции ферментов. 4 (ковалентная модификация, белок-белковые взаимодействия, аллостерическая регуляция и ограниченный протеолиз) - быстрые изменения удельной активности ферментов, 2 (изменение уровня экспрессии и изоформного состава белков) связаны с изменением количества ферментов в клетке и косвенно изменяют их общую активность в клетке.
Остально, не связ с горманами: изм-е концентраций участников р-ции, д-е метаболитов.
1) 1. Доступность субстрата или кофермента
При постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ. без прямого контроля со стороны гормонов. ускорить или затормозить
Для цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) субстратом - оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота). Наличие оксалоацетата "подталкивает" реакции цикла, что позволяет вовлекать в окисление ацетил-SКоА.
ΔG" = ΔG 0 " + RT ln [(C+D)/(A+B)],
где ΔG" – реальное изменение свободной энергии Гиббса при рН 7, ΔG 0 " – стандартное изменение свободной энергии Гиббса при рН 7 для данной реакции (при равновесных концентрациях реактантов 1 Моль/л и 25 о С), R – универсальная газовая постоянная, Т – температура по Кельвина, А,В,С,D – равновесные концентрации реактантов.
Гормоны опосредованно влияют на равновесные концентрации реактантов, действуя на необратимые реакции. Их скорость увеличивается, количество продукта тоже. Изменять активность ферментов, опосредующих равновесные реакции нет смысла, так как фермент не сдвигает равновесие реакции.
2) Во многих метаболических путях метаболиты дистанцированно влияют на активность ферментов. прямые или обратные связи внутри метаболической цепочки. Конечный метаболит - механизм обратной отрицательной связи . Начальный метаболит - прямой регуляции .
Эффекторами - конкурентные или аллостерические регуляторы.
3) Ковалентные модификации с присоединением низкомолекулярных радикалов к молекулам белка - на посттрансляционном уровне. наиболее распространенный механизм.
модификациям могут подвергаться аминокислотные остатки (остатки серина, треонина, тирозина, лизина, аргинина, пролина и дикарбоновых аминокислот). присоединяются метильные, ацетильные и гидроксильные группы, биотин, оксид азота, фосфаты, сульфаты и более крупные заместители углеводной, липидной, белковой или нуклеотидной природы (АДФ-рибозил). Гликозилирование - основной модификацией наружных белков гликокаликса, а пренилирование липидными остатками - для принудительной локализации белков на мембране.
Фосфорилирование
используется для передачи сигнала внутрь клетки. фосфатная группа выступает меткой, фиксирующей сам факт передачи сигнала от одного компонента каскада (протеинкиназы) к другому (субстрату). Иногда таким сигналом служит дефосфорилирование (фосфатазы)
Фосфорилирование - изменения активности конечных участников сигнальных каскадов. Многие мишеней являются трансферазами (ковалентные модификации своих субстратов). Например, действие ряда гормонов направлено на изменения транскрипционной активности и белкового состава клетки. В нем задействованы ферменты, модифицирующие белки хроматина, транскрипционные факторы и фосфорилирующие их киназы. В результате активации киназы транскрипционных факторов и белков хроматина перемещаются из цитоплазмы в ядро, повышают доступность отдельных участков генома и активируют транскрипцию путем пост-трансляционной модификации многочисленных остатков белков-мишеней. Транскрипционные факторы (р53): фосфорилированию. ацетилированы или убиквитинированы и сумоилированы для более успешной компартментализации. Гистоны и другие белки хроматина: разнообразным модификациям - изменение плотности хроматина и повышение доступности участков ДНК для транскрипции. (фосфорилирование, метилирование и ацетилирование внутри короткой последовательности, отвечающей за функциональную активность этого белка).
4) Аллостерические ферменты - из 2 и более субъединиц : одни субъединицы содержат каталитический центр, другие имеют аллостерический центр и являются регуляторными. Присоединение эффектора к аллостерической субъединице - изменение конформацию белка и активность каталитической субъединицы.
Аллостерические ферменты (ключевыми ферментами) обычно стоят в начале метаболических путей, и от их активности зависит течение многих последующих реакций.
фруктозо-2,6-бисфосфат, 2,3-бисфосфоглицераль- продуктами гликолиза - аллостерические регуляторы
5) Ограниченный (частичный) протеолиз проферментов - более крупного предшественника и при поступлении в нужное место этот фермент активируется через отщепление от него пептидных фрагментов. защищает внутриклеточные структуры от повреждений. Пищеварительные ферменты (пепсин, трипсин, химотрипсин) производятся железистых клеток в неактивной форме проферментов. активируются путем ограниченного протеолиза уже в просвете желудка (пепсин) или кишечника (остальные).
6) белок-белковое взаимодействие – в качестве регулятора выступают не метаболиты биохимических процессов, а специфичные белки. В целом ситуация схожа с аллостерическим механизмом: после влияния каких-либо факторов на специфичные белки изменяется активность этих белков, и они, в свою очередь, воздействуют на нужный фермент.
Мембранный фермент аденилатциклаза чувствительным к воздействию G-белка , который активируется при действии на клетку некоторых гормонов (адреналина и глюкагона).
7,8) Изменение уровня экспрессии или изоформного состава ферментов - долговременными регуляторными стратегиями (транскрипционные факторы, изменяются скорость и эффективность транскрипции генов). - стероидные и тиреоидные гормоны. В комплексе с внутриклеточными рецепторами они перемещаются в ядро, где активируют или ингибируют транскрипцию в определенных участках генома.
Изменение скорости деградации белков регулируется убиквитинированием. 5-стадийный процесс с участием трех ферментов: убиквитин-активирующего, убиквитин-конъюгирующего и убиквитин-сшивающего (лигазы). регуляции этого процесса – это рецептор-зависимая активация убиквитин-лигаз. Примером такой лигазы является белок Cbl – партнер рецепторов факторов роста и цитокинов. Рецептор-зависимая активация Cbl происходит при связывании его N-концевого фосфотирозин-связывающего домена с активированным рецептором. После этого Cbl взаимодействует с акцессорными белками и запускает убиквитинирование белков-мишеней.
Индуцибельная NO-синтаза (iNOS) - быстрой смены изоформного состава белка при активации защитных реакций клетки. Две изоформы NO-синтазы – нейрональная (nNOS) и эндотелиальная (eNOS) – экспрессируются конститутивно. Экспрессия iNOS запускается при активации рецепторов провоспалительных цитокинов (интерферон, интерлейкин-1, TNFα). в условиях окислительного стресса и бактериальной инфекции изменяется суммарная активность NO-синтаз и уровень продукции вторичного посредника NO.
7. Факторы роста как основные регуляторы деления клеток. Кратко механизм их действия.
Рост и развитие клетки в нормальных и опухолевых линиях начинаются с воздействия на клетку ФР - полипептиды, которые либо секретируются клеткой, либо выделяются, когда клетка гибнет. могут циркулировать в крови, но чаще местного действия. При связывании с рецептором - повышение сродства - олигомеризация рецепторов. 1 рецептора фосфорилирует другую молекулу рецептора по тирозиновым остаткам. Белки, участвующие в передаче сигналов от рецептора, имеют домены, узнающие фосфотирозин (SH2 домены, «домен второго порядка Src киназы»). SH2-домен-содержащие белки распознают еще 10-15 аминокислот слева и справа от фосфотирозина, поэтому их связывание весьма специфично. Связавшись с рецептором, белки изменяют свою активность, могут активировать друг друга, связывать новые белки - образуются сложные олигомерные комплексы белков. ФР передают сигнал внутрь ядра с помощью МАР-киназ (митогенактивируемых протеинкиназ), которые стимулируют транскрипционные факторы - деление клеток. Регуляция происходит за счет тирозинового фосфорилирования без вторичных посредников. Заканчивается сигнал серин/треониновым фосфорилированием белков ядра.
SH3-домены узнают в белке 1 три остатка пролина, локализованные рядом. белок 2 одним доменом свяжется с рецептором ФР, а другим – с белком с 3 остатка пролина. Формирование сложного олигомерного комплекса, в составе которого проходит фосфорилирование–дефосфорилирование белков, обмен гуаниловых нуклеотидов, расщепление фосфолипидов, присоединение белков цитоскелета и т.п.
Действие ФР на клетку.
ФР связываются с рецепторами либо на поверхности мембраны, либо внутри клетки. А - ФР вызывают фосфорилирование белков либо непосредственно при взаимодействии с рецептором, являющимся тир-ПК-азой (ИФР-1, ИФР-2, инсулин), либо за счёт включения аденилатциклазного или фосфатидилинозитольного каскадов и активации протеинкиназ. Фосфорилированные белки активируют транскрипционные факторы, вызывающие синтез новых мРНК и белков. Б - ФР входит в клетку, в комплексе с внутриклеточным рецептором поступает в ядро, активируя транскрипцию генов, стимулирующих рост клетки. 1 - G-белок; 2 - ферменты, синтезирующие вторичные посредники: аденилатциклаза, фосфолипаза С, гуанилатциклаза.
8.Каким образом связано сродство рецептора к гормону с временем развития и гашения этого сигнала? Регуляция чувствительности клеток к гормону путем изменения количества рецепторов и их сопряжения с эффекторными системами.
Max биологический эффект может развиваться даже если гормон оккупировал лишь малую долю рецепторов. (после преинкубации гладких мышц, сердца с кураре или атропином образуется прочный комплекс c антагонистом, однако эффект ацетилхолина развивается уже спустя несколько секунд после отмывания рецептора от блокатора). В клетке существует "избыток" рецепторов, благодаря чему гормон может вызывать максимальный ответ даже тогда, когда он оккупирует лишь небольшую долю рецепторов.
Концентрация катехоламинов в крови - 10-9 – 10-8 М. Сродство рецепторов к этим гормонам ниже (Кд=10-7 – 10-6 М). Полумаксимальная активация аденилатциклазы - высоких концентраций (10-7 – 10-6 М), а влияние на гликогенолиз или липолиз (эффекты, опосредуемые синтезом цАМФ) - низких концентраций (10-9 – 10-8 М).
Для проявления эффекта катехоламинам достаточно связывание менее, чем с 1% β-адренергических рецепторов. Существует 100-кратный "избыток" рецепторов гистамина, 10-кратный "избыток" рецепторов глюкагона, ангиотензина, АКТГ. Это объясняется высокой степенью усиления (105 – 108 раз) сигнала. при связывании 1 молекулы гормона в клетке может появиться (или исчезнуть) 105 – 108 молекул определенных веществ или ионов. Существование "избытка" рецепторов обеспечивает высокую чувствительность к внеклеточным регуляторам.
"оккупационная" теория: биологический эффект гормона пропорционален концентрации гормон-рецепторного комплекса: H+R ↔ HR → биологический эффект.
При достижении равновесия: Кс = / ([H][R]) или HR= Кс ([H][R]), эффект = f {Кс ([H][R])}
Эффект зависит от: сродства гормона к рецептору, концентрации рецепторов.
Уменьшение сродства рецептора к гормону, уменьшении концентраций рецепторов - более высокие концентрации гормона.
Скорость реакции определяется временем связанного состояния гормона с рецептором. У нейромедиаторов низкое сродство: около 10-3, они быстро диссоциируют от рецептора, поэтому для осуществления сигнала необходимо создавать высокие локальные концентрации, что и происходит в синапсах. У внутриклеточных рецепторов сродство к лиганду выше – около 10-9, связанное состояние продолжается часы и сутки. Сродство гормона к рецептору определяет длительность проведения сигнала.
Изменение сродства рецепторов к гормонам: десенситизации, даунрегуляцией. при избыточной гормональной стимуляции рецепторы эндоцитируют и подвергаются деградации. Образование рецепторных кластеров в мембране: Концентрирование, снижение плотности рецептора влияет на кинетические параметры связывания лиганда. (неоднородного распределения липидов в мембране, микротрубочек и микрофиламентов держат мембранные белки в определенных участках мембраны). Синапс!!
Концентрирование рецепторов, не закрепленное специальной морфологической структурой, - в лимфоцитах и асимметричных клетках слизистой. рецепторы за несколько минут собираются в кластеры в самых разных участках мембраны, распадаться - быстрый и обратимый контроль за чувствительностью клетки к регулятору.
Необратимой инактивацией рецепторных молекул: При продолжительном действии высоких концентраций регулятора - образование рецепторных "шапок", в которых рецепторов соединены между собой за счет образования пептидных связей (при участии трансглютаминазы) между свободными карбоксильными группами одного белка и свободными аминогруппами другого. После завершения сшивок - впячивание мембраны, отшнуровывание, появление в цитоплазме, сливаются с лизосомами, расщепляются протеазами. количество рецепторов может снижаться в 3-5 раз. восстановление чувствительности потребует значительного времени –синтез и встраивание.
При некоторых патологических состояниях - образовываться аутоантитела, которые, связываясь с рецепторами, изменяют их сродство к гормонам.
Сродство зависит от их взаимодействия с внутриклеточными белками-мишенями (G-белки). Хорошо известна роль G-белка при гормон-зависимой активации аденилатциклазы. G-белок не только проводит сигнал, но и влияет связывания гормона с рецептором.
Регуляции чувствительности рецепторов к гормонам: встречи рецепторов и их мишеней на мембране могут быть эффективными только если с белками связаны соответствующие кофакторы: в случае рецептора это гормон, а сопрягающего G-белка – ГТФ или ГДФ. Только в таком случае образуется функционально активный комплекс рецептора с белком, а затем белка с мишенью (аденилатциклазой). 2- связывание кофактора влияет на сродство компонентов друг к другу: Связывание лиганда повышает сродство рецептора к активным G-белком. образование рецептор-G-белкового комплекса приводит к значительному повышению сродства рецептора к гормону. После присоединения к G-белку ГТФ сродство рецептора к гормону становится низким.
9.Опишите основные этапы процессов десенситизации и даун-регуляции рецепторов.
1. Присоединение Г+Р
2. Фосфорилирование (убиквитинилирование/пальмитинирование рецептора
3. Десенситизация (бета-аррестин)
4. Эндоцитоз (клатрин-зависимый)
5. Рециклизация (выход рецептора на поверхность клетки) или слияние с лизосомой и расщепление рецептора.
Десенситизация и даун-регуляция необходимо для терминации избыточного сигнала и предотвращения чрезмерного клеточного ответа.
1) самый быстрый способ «выключения» рецептора - десенситизация обусловленная химической модификацией (фосфорилирование или реже алкилирование, пренилирование, убиквитинирование, метилирование, рибозилирование) цитоплазматического домена, приводящей к снижению сродства Р к Л.
Для гормональной регуляции, в которой участвуют Рецепторы, сопряженные с G белками, характерно быстрое развитие толерантности. Рецептор связывается с гормоном за минуты. Длится сигнал в течение минут. Чем дольше гормон находится на рецепторе, тем больше вероятность у рецептора быть фосфорилированным (более 10 минут) эндогенной протеинкиназой («лиганд-зависимая киназа»). диссоциации Г с рецептора - дефосфорилирование и Рецептор восстановит нормальную аффинность. Если же гормональный сигнал поступает в клетку в течение десятков минут, тогда включается десенситизация, в которой участвует GRK(g-prot. Receptor kinase), она дополнительно фосфорилирует рецептор, стимулируемая вторичным посредником. Если гормона много, сигнал остается и при фосфорилиловании рецептора.
Бета-аррестин- каркасный белок, он ослабляет/прекращает основной сигнальный каскад, но при этом активируется MAPKиназный или другой. На бета-аррестине также есть сайт связывания убиквитин-лигазы, которая навешивает убиквитин на рецептор. Убиквитин может способствовать разрушению белка в протеосомах или, наоборот, не дает ему идти в протеосомы (разные варианты прикрепления убиквитина). При десенситизации бета-аррестин привлекает клатрин который рекрутируется в область скопления рецепторов и покрывает внутреннюю поверхность участка мембраны, далее происходит эндоцитоз (даун-регуляция). Эти участки втягиваются, образуя окаймленные клатрином ямки. Увеличиваясь и отрываясь внутрь клетки под действием моторного белка динамина, они образуют клатрин-покрытые везикулы. Время жизни этих везикул очень мало: как только они отрываются от мембраны, клатриновая оболочка диссоциирует и распадается. (есть еще кавеолин-зависимый эндоцитоз, он происходит аналогично клатрин-зависимому, Если мембранные плоты большие и жесткие, к ним присоединяется актиновый цитоскелет, который принудительно втягивает в клетку большие фрагменты мембраны клатрин/кавеолин-независимым образом за счет работы миозиновых моторов.)
Вместе с рецепторами могут эндоцитироваться и их лиганды. В дальнейшем возможна рециклизация рецепторов (возвращение), для которой необходимы диссоциация лигандов от рецепторов и устранение химических модификаций. Необратимая деградация рецепторов при слиянии эндосом с лизосомами.
Существуют сигнальные эндосомы (сигналосом), которые способны запускать собственные сигнальные каскада, ко торые базируются на эндосомальных белках и (фосфо)липидах, в них выявляются все основные типы мембранных рецепторов за исключением канальных рецепторов.
Вопросы для подготовки к занятию:
1. Гормональная регуляция как механизм межклеточной и межорганной координации обмена веществ. Основные механизмы регуляции метаболизма: изменение активности ферментов в клетке, изменение количества ферментов в клетке (индукция или репрессия синтеза), изменение проницаемости клеточных мембран.
2. Гормоны, общая характеристика, классификация гормонов по химическому строению и биологическим функциям. Механизм действия гормонов белковой природы.
3. Механизм действия гормонов стероидной природы и тироксина.
4. Гормоны гипоталамуса. Люлиберин, соматостатин, тиролиберин.
5. Гормоны гипофиза. Гормоны задней доли гипофиза: вазопрессин, окситоцин.
6. Строение синтез и метаболизм йодтиронинов.
7. Влияние йодтиронинов на обмен веществ. Гипо- и гипертиреозы.
8. Гормоны мозгового слоя надпочечников. Строение, влияние на обмен веществ. Биосинтез катехоламинов.
9. Гормон роста, строение, функции.
10. Гормоны околощитовидных желез. Регуляция фосфорно-кальциевого обмена.
11. Инсулин. Глюкагон. Влияние на обмен веществ.
12. Гормональная картина инсулинзависимого сахарного диабета
13. Гормональная картина инсулиннезависимого сахарного диабета
14. Стероидные гормоны. Глюкокортикоиды.
15. Половые гормоны.
16. Ренин-ангиотензиновая система.
17. Калликреин-кининовая система.
Выполните задания:
1. Либерины:
А. Небольшие пептиды
Б. Взаимодействуют с цитоплазматическими рецепторами.
В. Активируют секрецию тропных гормонов.
Г. Передают сигнал на рецепторы передней доли гипофиза.
Д. Вызывают секрецию инсулина.
2. Выберите неправильное утверждение. цАМФ:
А. Участвует в мобилизации гликогена.
Б. Второй вестник сигнала.
В. Активатор протеинкиназы.
Г. Кофермент аденилатциклазы.
Д. Субстрат фосфодиэстеразы.
3. Расположите события, происходящие при синтезе йодтиронинов, в необходимом порядке, используя цифровые обозначения:
А. Йодирование остатков тирозина в тироглобулине.
Б. Синтез тироглобулина.
В. Конденсация йодированных остатков тирозина.
Г. Транспорт йодтиронинов в клетки-мишени.
Д. Образование комплекса с тироксинсвязывающим белком.
4. Расположите перечисленные метаболиты в порядке их образования:
А. 17-ОН-прогестерон.
Б. Прегненолон.
В. Холестерин.
Г. Прогестерон
Д. Кортизол.
5. Выберите гормон, синтез и секреция которого возрастает в ответ на повышение осмотического давления:
А. Альдостерон.
Б. Кортизол.
В. Вазопрессин.
Г. Адреналин.
Д. Глюкагон.
6. Под влиянием инсулина в печени ускоряются:
А. Биосинтез белков
Б. Биосинтез гликогена.
В. Глюконеогенез.
Г. Биосинтез жирных кислот.
Д. Гликолиз.
7. Для трехдневного голодания верно все ниже перечисленное, кроме:
А. Инсулин-глюкагоновый индекс снижен.
Б. Скорость глюконеогенеза из аминокислот увеличивается.
В. Скорость синтеза ТАГ в печени снижается.
Г. Скорость b-окисления в печени снижается.
Д. Концентрация кетоновых тел в крови выше нормы.
8. При сахарном диабете в печени происходит:
А. Ускорение синтеза гликогена.
Б. Снижение скорости глюконеогенеза из лактата.
В. Снижение скорости мобилизации гликогена.
Г. Повышение скорости синтеза ацетоацетата.
Д. Повышение активности ацетил-КоА-карбоксилазы.
9. При ИНСД у больных наиболее часто обнаруживаются:
А. Гиперглюкоземия.
Б. Снижение скорости синтеза инсулина.
В. Концентрация инсулина в крови в норме или выше нормы.
Г. Антитела к b-клеткам поджелудочной железы.
Д. Микроангиопатии.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14
Тема: Построение и анализ гликемических кривых
Цель: Изучить промежуточный обмен углеводов, роль углеводов в энергетическом обмене. Клинико-диагностическое значение метода сахарной нагрузки при сахарном диабете, аддисоновой болезни, гипофункции щитовидной железы и т.д.
Принцип метода : Определение глюкозы основано на реакции, катализируемой глюкозооксидазой:
глюкоза + О 2 глюконолактон + Н 2 О 2
Образующаяся в ходе данной реакции перекись водорода вызывает окисление субстратов пероксидазы с образованием окрашенного продукта.
Метод сахарной нагрузки : Утром натощак у больного берут кровь из пальца и определяют концентрацию глюкозы крови. После этого дают выпить 50 - 100 г глюкозы в 200 мл теплой кипяченой воды (1 г глюкозы на 1 кг веса) в течение не более 5 минут. Затем повторно исследуют содержание глюкозы в крови, беря из пальца кровь через каждые 30 минут в течение 2-3 часов. Строят график в координатах: время – концентрация глюкозы в сыворотке крови, по виду графика ставят или уточняют диагноз.
Ход работы: В образцах сыворотки (до и после приема глюкозы) определяют концентрацию глюкозы. Для этого в серию пробирок вносят 2 мл рабочего реактива (фосфатный буфер, субстраты пероксидазы + глюкозооксидазы в отношении 40:1). В одну из пробирок вносят 0,05 мл стандартного раствора глюкозы концентрации 10 ммоль/л. В другие - по 0,05 мл сыворотки крови, взятой по методу сахарной нагрузки. Растворы встряхивают и инкубируют при комнатной температуре 20 мин.
После инкубации измеряют оптическую плотность растворов на ФЭК при длине волны 490 нм. Кювета с длиной оптического пути, равной 5 мм. Раствор сравнения - рабочий реактив.
Расчет концентрации глюкозы:
С = 10 ммоль/л
где Е оп - оптическая плотность в образцах сыворотки;
Е ст - оптическая плотность стандартного раствора глюкозы
Результат анализа:
График:
Вывод:
Дата: Подпись преподавателя:
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ
Контрольная работа3 Гормональная регуляция обмена веществ
В зависимости от локализации рецепторов в клетках–мишенях гормоны можно разделить на три группы.
Первую группу составляютгормоны липидной природы. Будучи жирорастворимыми, они легко проникают через клеточную мембрану и взаимодействуют с рецепторами, локализованными внутри клетки,–как правило, в цитоплазме.
Втораягруппа–белковые и пептидные гормоны. Они состоят из аминокислот и по сравнению с гормонами липидной природы имеют более высокую молекулярную массу и менее липофильны, из–за чего с трудом проходят через плазматическую мембрану. Рецепторы этих гормонов находятся на поверхности клеточной мембраны, так что белковые и пептидные гормоны в клетку не проникают.
Третью химическую группу гормонов составляют низкомолекулярныетиреоидные гормоны, образованные двумя аминокислотными остатками, связанными между собой эфирной связью. Эти гормоны легко проникают во все клетки тела и взаимодействуют с рецепторами, локализованными в ядре. Одна и та же клетка может иметь рецепторы всех трех типов, т.е. локализованные в ядре, цитозоле и на поверхности плазматической мембраны. Кроме того, в одной и той же клетке могут присутствовать разные рецепторы одного типа; например, на поверхности клеточной мембраны могут находиться рецепторы разных пептидных и/или белковых гормонов.
Вторичные посредники: 1)циклические нуклеотиды (цАМФ и цГМФ); 2)ионы Ca и 3)метаболиты фосфатидилинозитола.
Присоединение гормона к рецептору позволяет последнему взаимодействовать с G-белком. Если G-белок активирует систему аденилатциклаза-цАМФ, его называют Gs-белком. Стимуляция аденилатциклазы, связанной с мембраной фермента посредствам Gs-белка, катализирует превращение небольшого количества присутствующего в цитоплазме аденозинтрифосфата в цАМФ внутри клетки.
Следующий этап опосредован активацией цАМФ-зависимой протеинкиназой, которая фосфорилирует специфические белки в клетке, запуская биохимические реакции, что гарантированно обеспечивает ответ клетки на действие гормона.
Как только цАМФ образуется в клетке, это обеспечивает последовательную активацию ряда ферментов, т.е. каскадную реакцию. Таким образом, первый активированный фермент активирует второй, который активирует третий. Задача такого механизма заключается в том, что небольшое количество молекул, активированных аденилатциклазой, может активировать значительно большее количество молекул на следующем этапе каскадной реакции, что является способом усиления ответа.
В итоге благодаря этому механизму ничтожно малое количество гормона, действующее на поверхность мембраны клетки, запускает мощный каскад активирующих реакций.
Если гормон взаимодействует с рецептором , сопряженным с тормозящим G-белком (Gi-белок), это снижает образование цАМФ и, как следствие, снижает активность клетки.
I. Проникновение стероида (С) в клетку
II. Образование комплекса СР
Все Р стероидных гормонов представляют собой глобулярные белки примерно одинакового размера, с очень высоким сродством связывающие гормоны
III. Трансформация СР в форму, способную связываться ядерными акцепторами [СР]
Любая клетка содержит всю генетическую информацию. Однако при специализации клетки большая часть ДНК лишается возможности быть матрицей для синтеза иРНК. Это достигается путем сворачивания вокруг белков гистонов, что ведет к препятствию транскрипции. В связи с этим генетический материал клетки можно разделить на ДНК 3-х видов:
1.транскрипционно неактивная
2.постоянно экспрессируемая
3.индуцируемая гормонами или другими сигнальными молекулами.
IV. Связывание [СР] с хроматиновым акцептором
Следует отметить, что этот этап действия С полностью не изучен и имеет ряд спорных моментов. Считается что [СР] взаимодействует со специфическими участками ДНК так, что это дает возможность РНК-полимеразе вступить в контакт к определенным доменам ДНК.
Интересным является опыт, который показал, что период полужизни иРНК при стимуляции гормоном увеличивается. Это приводит к многим противоречиям: становится непонятно ¾ увеличение количества иРНК свидетельствует, о том что [СР] повышает скорость транскрипции или увеличивает период полужизни иРНК; в то же время увеличение полужизни иРНК объясняется наличием большого числа рибосом в гормон-стимулированной клетке, которые стабилизируют иРНК или другим действием [СР] неизвестным для нас на сегодняшний момент.
V. Избирательная инициация транскрипции специфических иРНК; координированный синтез тРНК и рРНК
Можно полагать, что основной эффект [СР] состоит в разрыхлении конденсированного хроматина, что ведет к открыванию доступа к нему молекул РНК-полимеразы. Повышение количества иРНК приводит к увеличению синтеза тРНК и рРНК.
VI. Процессинг первичных РНК
VII. Транспорт мРНК в цитоплазму
VIII. Синтез белка
IX. Посттрансляционная модификация белка
Однако, как показывают исследования, это основной, но не единственно возможный механизм действия гормонов. Например, андрогены и эстрогены вызывают увеличение в некоторых клетках цАМФ что дает возможность предположить, что для стероидных гормонов имеются также мембранные рецепторы. Это показывают что стероидные гормоны действуют на некоторые чувствительные клетки как водорастворимые гормоны.
Вторичные посредники
Пептидные гормоны, амины и нейромедиаторы в отличие от стероидов ¾ гидрофильные соединения и не способны легко проникать через плазматическую мембрану клетки. Поэтому они взаимодействуют с расположенными на поверхности клетки мембранными рецепторами. Гормон-рецепторное взаимодействие иницирует высококоординированную биологическую реакцию, в которой могут участвовать многие клеточные компоненты, причем некоторые из них расположены на значительном расстоянии от плазматической мембраны.
цАМФ ¾ первое соединение, которое открывший его Сазерленд назвал «вторым посредником», потому что «первым посредником» он считал сам гормон, вызывающий внутриклеточный синтез «второго посредника», который опосредует биологический эффект первого.
На сегодняшний день можно назвать не менее 3 типов вторичных посредников: 1)циклические нуклеотиды (цАМФ и цГМФ); 2)ионы Ca и 3)метаболиты фосфатидилинозитола.
С помощью таких систем небольшое число молекул гормона, связываясь с рецепторами, вызывает продукцию гораздо большего числа молекул второго посредника, а последние в свою очередь влияют на активность еще большего числа белковых молекул. Таким образом, происходит прогрессивная амплификация сигнала, исхдно возникающего при связывании гормона с рецептором.
ЦАМФ
Упрощенно действие гормона через цАМФ можно представить так:
1. гормон + стереоспецифический рецептор
2. активация аденилатциклазы
3. образование цАМФ
4. обеспечение цАМФ координированной реакции
Гормон Внешняя среда
Рецептор Мембрана
5’-цАМФ 3’,5’-цАМФ АТФ
Неактивная протеинкиназа
Фосфодиэстераза
Активная протеинкиназа
Дефосфопротеин Фосфопротеин
Фосфопротеинфосфатаза
Биологический эффект
Рис 1
1.Следует отметить, что рецепторы тоже являются динамическими структурами. Это означает, что их количество может или снижаться или повышаться. Например у людей с увеличенной массой тела уменьшается количество рецепторов инсулина. Опыты показали, что при нормализации их массы замечается увеличение количества рецепторов до нормального уровня. Иными словами, при повышении или снижении концентрации инсулина имеют место реципрокные изменения концентрации рецепторов. Считается, что это явление может защитить клетку от слишком интенсивной стимуляции при неадекватно высоком уровне гормона.
2.Активация аденилатциклазы (А) тоже является регулируемым процессом. Ранее считалось, что гормон (Г), связываясь с рецептором (Р), изменяет его конформацию, что приводит к активированию А. Однако оказалось, что А, является аллостерическим ферментом, который активируется под действием ГТФ. ГТФ переносит специальный белок (трансдуктор) G. В связи с этим была принята модель, описывающая не только активацию А, но и терминацию этого процесса
а) Г + Р + G·ГДФ ® Г·Р·G + ГДФ
б) Г·Р·G + ГТФ ® Г + Р + G·ГТФ
в) G·ГТФ + А ® цАМФ + G·ГДФ
Таким образом, «выключающим» систему сигналом служит гидролиз ГТФ. Для возобновления цикла ГДФ должен отсоединиться от G, что происходит при связывании гормона с Р.
Некоторые факторы оказывают ингибирующее действие на А и вызывают снижение концентрации цАМФ. Примерами агонистов стимулирующих циклазу, могут служить глюкагон, АДГ, ЛГ, ФСГ, ТТГ и АКТГ. К факторам ингибирующим циклазу, относятся опиоиды, соматостатин, ангиотензин II и ацетилхолин. Адреналин может как стимулировать (через b-рецепторы), так и ингибировать (через a-рецепторы) данный фермент. Возникает вопрос каким же образом осуществляется двунаправленная регуляция А. Оказалось, что ингибирующая система включает в себя трехмерный белок, чрезвычайно похожий на приведенный выше G-белок. Эффект Gи может быть описан следующим образом:
а) Г + Р + Gи·ГДФ ® Г·Р· Gи + ГДФ
б) Г·Р·Gи + ГТФ ® Г + Р + Gи·ГТФ
в) Gи·ГТФ + А ® ¯цАМФ + Gи·ГДФ
После фосфорилирования белков-ферментов в ходе выше описанных реакций (см. рис 1) изменяется их конформация. Следовательно изменяется и конформация их активного центра, что ведет к их активированию или ингибированию. Получается, что благодаря вторичному посреднику цАМФ в клетке активируются или ингибируется действие специфичных для нее ферментов, что вызывает определенный биологический эффект свойственный для этой клетки. В связи с этим несмотря на большое количество ферментов, которые действуют через вторичный посредник цАМФ, в клетке возникает определенный, специфический ответ.