Молекулярные механизмы передачи сигнала: основные пути межклеточной сигнализации. Молекулярная рецепция. - презентация

1 Молекулярные механизмы передачи сигнала: основные пути межклеточной сигнализации. Молекулярная рецепция.

2 Молекулярные механизмы передачи сигнала В ответ на специфический сигнал клетка запускает молекулярный каскадный механизм, который реализует интегративный путь биохимического ответа. Эукариотические клетки могут взаимодействовать с большим числом молекул, переносящих информационные сигналы. Наиболее известные экзогенные сигнальные молекулы это гормоны (стероидные и пептидные); однако, клетки могут реагировать и на другие бимолекулярные сигналы.

3 Молекулярные механизмы передачи сигнала Внутриклеточные каскады ферментативных реакций не зависят от типа сигнальной молекулы. Когда сигнальная молекула связывается с клеточной поверхностью, запускается каскад реакций, вызывающих определенные внутриклеточные процессы, например начало пролиферации. Специфичность клеточного ответа определяется типом экспрессируемого рецептора. В клетках каждого конкретного типа имеется характерный набор рецепторов, расположенных на клеточной поверхности, в цитозоль и ядре. Эти рецепторы служат для получения специфического сигнала и запуска каскада ферментативных реакций, вызывающих клеточный ответ.

4 Молекулярные механизмы передачи сигнала Общая схема процесса передачи сигнала включает пять основных этапов. На каждом этапе могут происходить нарушения передачи сигнала, приводящие к патологическим процессам и заболеваниям.

5 Связывание с лигандом Активация рецептора Преобразование сигнала Активация эффектора Ослабление сигнала

6 Фосфорилирование и клеточная сигнализация Фосфорилирование играет существенную роль в формировании генетического материала, трансляции белка, построении биологических мембран и во многих других внутриклеточных процессах. Фосфорилирование и дефосфорилирование - основные механизмы внутриклеточной передачи сигнала. Ферменты, участвующие в этих процессах, киназы и фосфатазы.

7 Киназы Ферменты, отвечающие за образование фосфатных эфиров в белковых молекулах, называются киназами. Два основных типа киназ: тирозинкиназы (Туr) и серин-треонинкиназы (Ser-Thr). Тирозинкиназа образует фосфатные связи на тирозиновых остатках специфических субстратов. Серин-треонинкиназа образует эти связи на остатках серина и треонина. Большинство сигналов, поступающих в клетку, обрабатывается с помощью киназ.

8 Роль фосфорилирования Фосфорилирование выполняет функции в процессе передачи сигнала. 1. При фосфорилировании измененяется конформация белков и активируются ферменты. Передача сигнала заключается в волновой активации белков. 2. Фосфорилирование создает в молекулах белков стыковочные участки. 3. Механизм передачи сигнала включает не только активацию ферментов, но и временное формирование внутриклеточных передатчиков.

9 Роль фосфорилирования Одна специфическая киназа, участвующая в сигнальном процессе, фосфорилирует другую киназу. В процессе передачи сигнала может неоднократно происходить фосфорилирование и дефосфорилирование белков. Некоторые рецепторы сами по себе относятся к киназам, некоторые являются субстратами для киназ. Фосфорилирование этих белков очень часто запускает сигнальные процессы в клетке. Другое важное преобразование клеточного сигнала происходит в цитоскелете, белки которого активируются входными компонентами определенного сигнального пути.

10 Механизм фосфорилирования сАМР- зависимой киназой (сАРК), которая катализирует перенос фосфатных групп с АТФ сериновых участков пептидов.

11 Роль дефосфорилирования После фосфорилирования субстратов происходит процесс дефосфорилирования. В некоторых случаях удаление фосфата происходит в результате простого «выключения» сигнализации. В других случаях фосфат удаляется после активации сигнального пути. Есть два типа фосфатаз: серинтреонинфосфатаза и тирозин фосфатаза. Для каждой специфической киназы должна существовать специфическая фосфатаза. Некоторые серинтреонинфосфатазы неспецифичны и удаляют фосфаты с различных субстратов. Тирозинфосфатазы обладают субстратной специфичностью.

12 Семейства GTPaз Второй способ обработки поступающей в клетку информации - это реакции, осуществляемые гуаниннуклеотидтрифосфатазами (GТРазами) двух типов. Большинство внутриклеточных сообщений (везикулярный транспорт, эндоцитоз, поступление веществ в ядро, восстановление ядерной мембраны, удлинение полипептидных цепей при трансляции) передается при помощи небольших белков, которые в активном состоянии связаны с GTP. Мономерные белки играют роль внутриклеточных молекулярных переключателей и являются ключевыми компонентами большинства процессов в клетке.

13 Семейства GTPaз Другой член семейства GTPaз, особенно важный для передачи клеточного сигнала с поверхности клетки, - это триммерный G-белок. Три субъединицы G-белка нековалентно связаны между собой ( α, ß, γ), α -субъединица представляет собой GTPaзy; эта субъединица может связывать молекулу GTP и гидролизовать ее до GDP. Сердцевинные домены GТРазы и α -субъединица G-белка имеют сходную трехмерную структуру.

14 Вторичные мессенджеры Вторичные мессенджеры - синтезируются в клетке в ответ на активацию рецептора и служат для усиления молекулярного сигнала. 1. циклический аденозинмонофосфат (сАМР); 2. циклический гуанозинмонофосфат (cGMP); 3. диацилглицерол (DAG); 4. инозитолтрифосфат (IРз); 5.кальций.

15 Циклический аденозинмонофосфат (cAMP) сАМР синтезируется АТФ ферментом аденилатциклазой. При активации этого фермента происходит быстрый синтез сАМР. сАМР разрушается ферментом - сАМР- фосфодиэстеразой. сАМР играет центральную роль в процессе передачи сигнала в клетку. Рецепторы, находящиеся на поверхности клетки, могут как активировать, так и ингибировать синтез сАМР.

16 Циклический гуанозинмонофосфат (cGMP) cGMP синтезируется гуанилатциклазной и разрушается cGMP- фосфодиэстеразой (Б). cGMP участвует в процессе преобразования зрительных сигналов у позвоночных.

17 Диацилглицерол Диацилглицерол (DAG) и инозитолтрифосфат (IP3) образуются из специализированного мембранного липида, инозитолфосфолипида. DAG составляет внутримембранный компонент этого липида. Молекула DAG образуется в результате отщепления головной группы фосфоинозитола ферментами семейства фосфолипазы С. * *

18 Диацилглицерол Диацилглицерол связывается с основной клеточной серин-треонинкиназой, протеинкиназой С (РКС) и участвует в ее активации. Одна из ацильных цепей диацилглицерола может служить источником арахидоновой кислоты - С-20 ненасыщенной жирной кислоты, из которой образуются простагландины.

19

20 Инозитолтрифосфат Инозитолтрифосфат - водорастворимый головной компонент фосфоинозитольного липида. *

21 Инозитолтрифосфат После отщепления от липида IРз поступает в цитозоль, где связывается с белками Са 2+- каналов, расположенных на внутриклеточных мембранах При этом каналы открываются и Са 2+ переходит из внутриклеточных депо в цитоплазму. *

22 Кальций Кальций - один вторичных мессенджеров, участвующих в передаче сигнала в клетку. Роль Са 2+ заключается в связывании со специфическими участками в молекулах киназ или с особыми кальций- связывающими белками ( с кальмодулином), которые служат активаторами некоторых киназ.

23 Способы доставки сигнальных молекул к клеткам

24 Эндокринный механизм Эндокринный механизм. Для переноса сигнальных молекул к клеткам- мишеням используются различные внеклеточные механизмы: паракринный, аутокринный и юкстакринный. Вместе с эндокринным механизмом они образуют внеклеточную сигнальную систему.

25 Паракринный механизм В случае паракринной сигнализации клетки секретируют сигнальные молекулы, которые активируют ближайшие соседние клетки, относящиеся к тому же типу ткани. Нейрон секретирует нейротрансмиттер (например ацетилхолин) в синаптическую щель, где другой нейрон связывается с этим нейротрансмиттером и генерирует биоэлектрический сигнал. При паракринном механизме сигнальные молекулы обычно не поступают в кровоток. Это - основной способ передачи сигнала в процессе заживления ран, восстановления тканей и развития эмбриона.

26 Аутокринный механизм При аутокринном механизме клетка отвечает на свой собственный сигнал: клетка производит сигнальную молекулу и в то же время несет на своей поверхности рецепторы, необходимые для ответа на секретируемый лиганд. Аутокринную стимуляцию используют клетки иммунной системы; аутокринная и паракринная стимуляция часто происходят одновременно.

27 Юкстакринный механизм Юкстакринная сигнальная система участвует в процессе прикрепления клеток, например в прикреплении клеток крови друг к другу или к клеткам сосудистой стенки при гемостазе или воспалении. При стимуляции юкстакринных клеток сигнал может передаваться от одной клетки к другой через адгезионные контакты.

28 Юкстакринный механизм Межклеточная адгезия (связывание клеток) и передача сигнала - взаимосвязанные процессы: агрегация тромбоцитов в местах повреждения и прикрепление нейтрофилов и моноцитов к эндотелию сосудов при повреждении или инфицировании. Юкстакринный механизм связывает клетки не только друг с другом, но и с внеклеточным матриксом.

29 Сигнализация с участием клеточных рецепторов Приобретение и утрата функции Все клетки организма постоянно обмениваются различной информацией. Клетка экспрессирует специфический набор рецепторов. Клетка отвечает лишь на тот сигнал, для которого у нее имеется рецептор. Набор рецепторов может изменяться в процессе развития и дифференцировки.

30 Сигнализация с участием клеточных рецепторов Если сигнал о синтезе специфического белка, свойственного дифференцированной клетке, поступает в недифференцированную клетку, которая не экспрессирует необходимый рецептор, соответствующая молекула не синтезируется Способность клетки выполнять или не выполнять определенную функцию часто основывается на наличии или отсутствии у нее определенного рецептора. Экспрессия и утрата рецептора - это запрограммированные процессы клеточной дифференцировки.

31 Сигнализация с участием клеточных рецепторов Ряду клеток требуется сигнальный лиганд, чтобы избежать программируемой клеточной смерти Некоторые клетки должны получать специфический сигнал для выживания. При нарушении связывания сигнальной молекулы с рецептором или нарушении рецепторного ответа запускается программа клеточной смерти. Некоторые входные сигналы необходимы для выживания клетки. Таким образом организм может регулировать количество клеток, необходимое для эффективной передачи нервных импульсов.

32 Сигнализация с участием клеточных рецепторов Рецепторная специфичность - одна из основных особенностей сигнальной системы. Различные клетки по-разному реагируют на один и тот же лиганд. Ацетилхолин вызывает: 1. сокращение скелетной мышцы, 2. но расслабление сердечной мышцы, 3. связывание ацетилхолина с секреторными клетками вызывает усиление секреции. Несмотря на одинаковые лиганды, белки, передающие сигнал от активированного рецептора в клетку, интерпретируют сигнал по-разному.

33 Сигнализация с участием клеточных рецепторов Обратная регуляция сигнала Способность клетки подавлять сигнал так же важна, как способность реагировать на него. Клетка, которая не может отключить сигнал, в конце концов погибает. Существуют различные механизмы инактивации сигнала, используемые клетками в процессе их роста и дифференцировки.

34 Обратная регуляция сигнала 1. Поглощение сигнального лиганд-рецепторного комплекса путем эндоцитоза. 2. Десенсибилизация рецептора. Она связана с фосфорилированием. Когда G-белок активирует очередной компонент сигнального пути, рецептор, расположенный на другой стороне белка, аутофосфорилируется, и чувствительность к лиганду снижается. Этот процесс называется гомологичной десенсибилизацией. Иногда другая молекула фосфорилирует рецептор и уменьшает его способность к активации следующего компонента сигнального пути. Это называется гетерологичной десенсибилизацией. 3. Разрушение эффекторной молекулы или разделение пулов активирующих молекул.

35 Механизмы передачи сигнала В клетках млекопитающих существует множество способов получения и переработки информации. Различные механизмы, перечисленные ниже, группируются на основе локализации и характеристик рецепторов.

36 Механизмы передачи сигнала в клетках млекопитающих Семейство липофильных рецепторов Лигандами этого семейства являются: 1. Стероиды (глюкокортикоиды, минералокортикоиды и половые стероиды); 2. тиреоидный гормон, тироксин; 3.ретиноиды, большая группа молекул, структурно родственных витамину А и витамину D. Лиганды транспортируются с помощью белков-переносчиков, которые удерживают лиганд.

37 Механизмы передачи сигнала в клетках млекопитающих Пустые рецепторы этого семейства часто находятся в цитозоль и образуют комплексы с другими белками. Лиганд проникает в клетку и связывается с рецептором, комплекс переносится в ядро, соединяется со специфической последовательностью ДНК, расположенной в центральных участках генов.

38 Механизмы передачи сигнала в клетках млекопитающих Семейство гидрофильных рецепторов Относятся к интегральным мембранным белкам. Многочисленные лиганды этого семейства в основном гидрофильны. Для каждого лиганда существует специфический рецептор. Рецепторы, сопряженные с G-белками. Связывание лиганда с рецептором приводит к активации специфических G-белков. Активированный G-белок изменяет активность молекулярных мишеней, в частности, аденилатциклазы, фосфолипазы, ионных каналов и cGMP-фосфодиэстеразы.

39 Рецепторы, сопряженные с G-белками Связывание лиганда с рецептором приводит к активации специфических G-белков. Активированный G-белок изменяет активность молекулярных мишеней, в частности, аденилатциклазы, фосфолипазы, ионных каналов и cGMP-фосфодиэстеразы.

40 Рецепторы как ионные каналы Связывание лиганда с рецепторным белком канала вызывает открытие канала, приводящее к входу или выходу необходимых ионов. Рецептор предсердного натрийуретического фактора. Связывание лиганда с рецептором вызывает активацию каталитического домена гуанилатциклазы. Активация этого рецептора приводит к входу ионов натрия.

41 Рецепторы, имеющие киназные домены Присоединение лиганда приводит к активации киназного каталитического домена, который фосфорилирует цитоплазматические субстраты. Рецепторами могут быть как тирозинкиназы, так и серин- треонинкиназы. Рецепторы, активируемые цитозольными тирозинкиназами. При связывании лиганда с рецептором активируются тирозинкиназы, нековалентно связанные с поверхностным рецептором.

42 Механизмы передачи сигнала Рецепторы с фосфатазной активностью. Лиганд активирует фосфатазный домен. Цитокиновые рецепторы. Эти рецепторы сходны по структуре; они часто разделены на сигнал передающие субъединицы и оказывают дублирующее и плейотропное действие.

43 Сигнальные механизмы, не связанные с поверхностными рецепторами клетки Передача сигнала: щелевые контакты Роль секретина и кальция Передача сигналов через щелевые контакты - эффективный механизм регуляции соединенных клеток (клеток эпителия). Щелевые контакты локализуются на латеральной поверхности соседних клеток, что позволяет осуществлять прямой обмен небольшими молекулами. Через поры щелевого контакта может проходить вторичный мессенджер, сАМР. Стимуляция одной или нескольких клеток может инициировать ответ во всех клетках ткани путем передачи сАМР по щелевым контактам соседних клеток.

44 Сигнальные механизмы, не связанные с поверхностными рецепторами клетки Такая стимуляция может осуществляться секретином - гормоном, индуцирующим высвобождение протеаз из ацинарных клеток поджелудочной железы. Секретин соединяется с рецепторами на одной или нескольких клетках, вызывая увеличение концентрации с АМР. Это приводит к высвобождению ионов кальция, вызывающих высвобождение секреторных ферментов из накопительных пузырьков во всех клетках железы.

45 Сигнальные механизмы, не связанные с поверхностными рецепторами клетки Ионы Са 2+ - сигнальные молекулы, передающиеся по щелевым контактам соседних клеток. Распространение кальция между соседними клетками гладкой мускулатуры обеспечивает координированную перистальтику и сокращение матки. Этот тип управляемого выхода кальция происходит во многих клетках, что свидетельствует о перемещении кальция по соседним клеткам. Однако при высокой концентрации Са 2+ щелевые контакты быстро закрываются.

46 Сигнальные механизмы, не связанные с поверхностными рецепторами клетки Роль оксида азота в клеточной сигнализации Более века назад было открыто действие нитроглицерина при стенокардии, в начале 1990-х годов был выяснен его механизм. Нитроглицерин - это вещество, которое быстро превращается в оксид азота (N0). Оксид азота расслабляет эндотелиальные и гладкомышечные клетки коронарных сосудов, улучшая приток крови к миокарду. Оксид азота изменяет сульфгидрильные группы (SH; тиоловые) и степень окисления металлов, входящих в состав комплексных соединений.

47 Сигнальные механизмы, не связанные с поверхностными рецепторами клетки Оксид азота: связь с клиникой Существует три категории клеток, в которых проявляются функции оксида азота: 1. в эндотелиальных клетках под действием NО происходит расслабление эндотелия; 2. в центральной нервной системе NO участвует в передаче сигнала между нейронами; 3. в клетках иммунной системы NO участвует в клеточно-опосредованном иммунном ответе. Оксид азота синтезируется в реакции дезаминирования аргинина при участии ферментного комплекса, NO-синтетазы.

48 Оксид азота и межклеточная сигнализация Показана роль оксида азота в передаче сигнала между эндотелиальными и гладкомышечными клетками. Оксид азота образуется в эндотелиальной клетке после активации ацетилхолинового рецептора, приводящей к увеличению внутриклеточной концентрации кальция и активации NO- синтетазы. В гладкомышечной клетке оксид азота стимулирует образование циклического гуанозинмонофосфата (cGMP), который, в свою очередь, активирует cGMP-зависимые киназы. В результате данных взаимодействий происходит расслабление гладкомышечной клетки.

49 Нитроглицерин Нитрат НитритNO Ацетилхолин R Эпителиальная клетка Аргинин NO-синтетаза NO+Цитруллин + Са 2+ GTP Гуанилат- циклаза сGTP Гладкомышечная клетка сGTP- протеинкиназы Расслабление + + Оксид азота и межклеточная сигнализация

50 Роль NO-синтетазы Классы NO-синтетаз. 1. Конститутивные ферменты синтезируют NO быстро и в небольших концентрациях, поддерживая уровень NO, необходимый для регуляции сосудистого тонуса. NО действует как эндотелиальный фактор расширения сосудов. 2. NO регулирует агрегацию тромбоцитов и участвует в нейромедиаторных процессах путем активации гуанилатциклазы. В результате происходит увеличение концентрации cGMP и запускается каскад молекулярных процессов в клетках-мишенях (в гладкомышечных клетках).

51 Роль NO-синтетазы в образовании NO Другая форма NO-синтетазы, кальций-независимый кальмодулин-содержащий фермент, активируется эндотоксинами. Цитокины, γ- интерфероны, фактор некроза опухолей, интерлейкин-1, могут стимулировать производство больших количеств NО в течение длительного периода - многих часов и даже дней. Вначале увеличение образования NO оказывает выраженное положительное воздействие на иммунную систему, высвобождение гормонов, клеточную секрецию и деление; однако продолжительное производство NО может приводить к серьезным нарушениям передачи сигнала вследствие сверхстимуляции гуанилатциклазы.

52 Роль NO-синтетазы в образовании NO Большое разнообразие функций NО частично связано с его влиянием на процесс фосфорилирования белков под действием киназ. В частности, NО реагирует с SH (тиоловыми) группами белков, а также с белками, содержащими ионы металлов. Точками приложения NО являются белки ионных каналов, ферменты, поверхностные рецепторы и факторы транскрипции - все белки, у которых в состав аллостерических или активных центров входят либо ионы металлов, либо тиоловые группы.

53 Роль NO-синтетазы в образовании NO NO в нейронах. Действие NO не ограничено анатомическими барьерами или системой кровообращения; NО может легко перемещаться в клетки путем чресклеточной диффузии. NО не накапливается, а синтезируется по требованию. Он не связывается с поверхностными рецепторами клетки, а диффундирует к внутриклеточным мишеням. NО считается нейротрансмиттером. Он участвует в: 1.неадренергической/нехолинергической передаче нервных импульсов периферическим секреторным и мышечным тканям; 2. формировании синапсов; 3. обработке сенсорных входных сигналов; 4. процессах памяти и учения.

54 Активаторные и ингибиторные функции NO-синтетазы Физиологические эффекты NOТоксические эффекты Кровеносные сосуды Расширение сосудов, защита от тромботической ишемии, антиатеросклеротическое ингибирование пролиферации гладкомышечных клеток; антиадгезивное действие Септический шок; воспаление, реперфузионные нарушения, поражение микроциркуляторного русла, атеросклероз Сердце Коронарный кровоток, ишемия«Оглушенный» миокард, сепсис Легкие Регуляция вентиляционно- перфузионного баланса, подвижности ресничек бронхов, секреции слизи, иммунной защиты Иммунокомплексный альвеолит, «легкое фермера», астма, респираторный дистресс- синдром Почки Канальцевая реабсорбция, кровоснабжение клубочков, секреция ренина ОПН, гломерулонефрит

55 Липофильные лиганды и ядерные рецепторы Липофильные лиганды, которые могут проходить через плазматическую мембрану и связываться с цитозольными или ядерными рецепторами клетки: стероидные гормоны, витамин Dз, гормоны щитовидной железы и ретиноиды. Эти лиганды регулируют развитие и дифференцировку клетки и метаболизм органа. В отличие от водорастворимых пептидных гормонов, факторов роста и цитокинов, жирорастворимые гормоны проходят липидный бислой и взаимодействуют с внутриклеточными рецепторами.

56 Липофильные лиганды и ядерные рецепторы

57 Рецепторы стероидных гормонов находятся в цитоплазме в составе крупных белковых комплексов шаперонов, включающих белок теплового шока 90 (hsp90) и иммунофилин hsp56. Связывание лиганда (гормона) с рецептором приводит к высвобождению белков теплового шока. После этого лиганд-рецепторный комплекс транспортируется в ядро, где связывается со специфическими последовательностями ДНК в промоторных участках специфических генов. Участок ДНК гена-мишени, связывающийся с рецептором, названный элементом гормонального ответа, идентичен для всех стероидных рецепторов.

58 Липофильные лиганды и ядерные рецепторы Специфичность генов. Некоторые рецепторные белки этой группы способны связываться с соответствующими элементами гормонального ответа даже в неактивном состоянии. Несвязанные с лигандом рецепторы часто действуют как репрессоры гена. При связывании гормона с лиганд- связывающим доменом рецептора происходят аллостерические изменения, приводящие к активации гена (рецепторы эстрогенов и гормонов щитовидной железы).

59 Липофильные лиганды и ядерные рецепторы Выделено четыре класса ядерных рецепторов, различающихся по их связыванию с лигандом, с ДНК и способности к образованию димеров.

60 Стероидная сигнальная система В отличие от сигнализации, опосредованной поверхностными рецепторами, эффекты стероидной сигнальной системы проявляются после характерного периода задержки, длящегося несколько часов. Сигнальная система липофильных гормонов не активирует гены быстрого ответа. Фактически, реакция клетки на увеличение концентрации стероидных гормонов может сохраняться в течение нескольких часов или дней. Этот длительный ответ обусловлен относительно медленным переключением большинства ферментов и белков, управляемых сигнальной системой стероидных гормонов.

61 Стероидная сигнальная система Липофильные гормоны и их рецепторы часто связываются с промоторами генов, которые кодируют ДНК-связывающие белки, то есть факторы транскрипции, последние контролируют экспрессию генов. Гены, активируемые липофильными гормонами, в свою очередь регулируют экспрессию других генов.

62 Связь с клиникой: ожирение В норме и при некоторых видах патологии из фибробластов образуются адипоциты. Избыточное накопление жировой ткани, характеризующееся увеличением числа или размера адипоцитов, называется ожирением. В норме адипоциты депонируют жирные кислоты и поддерживают пищевой и энергетический баланс, образуя лептин, продукт гена ожирения. С помощью других регуляторных молекул адипоцит может также влиять на гомеостаз глюкозы.

63 Связь с клиникой: ожирение Одной из первых в процессе дифференцировки адипоцитов экспрессируется γ-изоформа ядерного рецептора, активируемого пероксисомным пролифератором (PPARγ). PPARγ входит в семейство рецепторов тиреоидных и ретиноидных гормонов. При избыточной выработке PPARγ в фибробластах запускается каскад реакций, приводящий к дифференцировке фибробластов в адипоциты.

64 Связь с клиникой: ожирение PPARγ играет основную роль в регуляции энергетического и жирового обмена. Эндогенным лигандом PPARγ служит метаболит арахидоновой кислоты простаноидного пути, простагландин J2 (PGJ2). Этот простагландин активирует PPARγ - зависимый адипогенез и представляет собой первичный адипогенный сигнал.

65 Сигнализация с участием поверхностных рецепторов клетки Рецепторы ионных каналов Ионные каналы - это интегральные мембранные белки, которые регулируют прохождение специфических ионов через мембрану. Они узкие, поэтому проходящие по ним ионы сбрасывают гидратную оболочку. Поры ионного канала служат молекулярным ситом. После сбрасывания гидратной оболочки ион образует слабые электростатические связи с полярными аминокислотами, которые расположены вдоль стенки канала. Потеря водной оболочки и электростатические взаимодействия с порой длятся всего лишь несколько микросекунд во время перехода иона. Через узкий канал, сформированный канальным рецептором в бислое, могут проходить только ионы определенного размера. Наиболее часто в эукариотических клетках встречаются каналы для Na +, Са 2+, К +, Сl -.

66 Рецепторы ионных каналов

67

68 Конформации ионных каналов Регуляторные механизмы Все известные ионные каналы могут находиться в двух конформационных состояниях: канал открыт и ионы перемещаются по градиенту концентрации; канал закрыт и не пропускает ионы. При таком способе перехода канала из одного состояния в другое регуляция осуществляется по воротному механизму. Молекулярный воротный механизм заключается в значительных изменениях общей конформации канального белка.

69 Конформации ионных каналов Регуляция конформационного состояния ионного рецептора осуществляется различными способами. 1. Каналы открываются в ответ на связывание химических лигандов со специфическими доменами этих каналов. Например, нейротрансмиттеры и гормоны присоединяются к внеклеточным участкам каналов, а вторичные мессенджеры, активируемые трансмиттерами, взаимодействуют с цитоплазматическими участками каналов. 2. Некоторые каналы активируются изменением мембранного потенциала, 3. тогда как другие - механическим растяжением мембраны.

70 Конформации ионных каналов Активность разных каналов может изменяться под воздействием различных факторов: 1. метаболических реакций и фосфорилирования, 2. эффектов токсинов и лекарственных веществ. Некоторые иммунные заболевания, такие как злокачественная миастения, возникают в результате выработки специфических антител против канальных белков. Детальное изучение структуры и функции различных канальных белков помогает разрабатывать новые терапевтические подходы к лечению некоторых неврологических и психических заболеваний, связанных с нарушением функционирования ионных каналов.

71 Рецепторы, сопряженные с G- белком Семейство рецепторов, связанных с G- белками N-концевой участок находится на наружной стороне клеточной мембраны, полипептид семь раз прошивает мембрану, цитоплазматический домен содержит участки связывания G-белка. Существуют сотни различных форм G- белковых рецепторов, а химическое разнообразие их лигандов чрезвычайно велико.

72 G-белки Стимул Тип клеткиG-белок ЭффекторЭффект Адреналин. глюкагон Клетки печени Gs АденилатциклазаРасщепление гликогена Адреналин. глюкагон АдипоцитыGs АденилатциклазаРасщепление жиров Лютеинизиру- ющий гормон Фолликулы яичников Gs АденилатциклазаУсиление синтеза эстрогена и прогестерона Ацетилхолин Клетки сердечной мышцы Gj Калиевый канал Брадикардия и снижение насосной силы Пахучие вещества Нейроэпите- лиальные клетки носа Gatf АденилатциклазаРаспознавание запаха

73 G-белки Высокоспецифичные рецепторы этого семейства реагируют на: 1. небольшие молекулы (катехоламины, пептиды и хемокины); 2. высокомолекулярные соединения, (гликопротеиновые гормоны); 3.тромбин; 4. световые импульсы; 5. летучие пахучие вещества.

74 Распознавание рецепторов Структурные различия рецепторов, сцепленных с G-белком, и объясняет широкую лигандную специфичность белков этого класса.

75 Пути активации протеина G и протеинкиназ

76 G-белки: связь с клиникой Нарушение функционирования рецепторов, связанных с G-белком, может вызывать различные заболевания человека. Мутации, приводящие к потере функции, - это рецессивные признаки, которые фенотипически проявляются у гомозиготных организмов. Обнаружены некоторые соматические мутации, вызывающие активацию этих рецепторов. Доказано существование токсических аденом щитовидной железы, обусловленных соматическими мутациями рецепторов ТТГ.

77 G-белки: связь с клиникой Заболевания: 1. Семейная гипокальциуретическая гиперкальциемия 2. Неонатальный тяжелый гиперпаратиреоз 3.Гипертириоз( аденомы щитовидной железы) 4. Раннее половое созревание 5.Х-связанный нефрогенный несахарный диабет 6. Пигментозный ретинит 7. Цветовая слепота 8. Опухоли гипофиза

78 Основной механизм сигнального действия G-белков GTP быстро связывается с активным участком, поскольку его внутриклеточная концентрация приблизительно в 10 раз превышает концентрацию GDP. После связывания GTP G-белок принимает активную конформацию. GTP-связанная субъединица активирует различные эффекторные молекулы (аденилатциклазу, образующую сАМР). Субъединица остается в активном состоянии до тех пор, пока входящая в ее состав GTPaзa не гидролизует GTP до GDP. Сразу после гидролиза GTP - субъединицы вновь соединяются и возвращаются к рецептору.

79 1. Связывание с лигандом изменяет конформацию рецептора и участок связывания G s -белка открывается 2. Диффундируя в бислое, G s -белок связывается с лиганд- рецепторным комплексом и активируется обмен GDP на GTP 3. Замена GDP на GTP вызывает отделение α-субъединицы от G s -комплекса, открывая на ней участок связывания для аденилатциклазы 4. α-субъединица активирует циклазу для синтеза большого количества молекул АТР 5. Гидролиз GTP вызывает отделение от циклазы и воссоединение с βγ-комплексом, α-субъединица возвращается к исходному уровню Активация циклазы повторяется при связывании новой молекулы лиганда

80 Эффекторные молекулы, взаимодействующие с G-белками Основные контролируемые молекулы: Аденилатциклаза Фосфолипаза С (PLC) Фосфолипаза А2 (PLA2) Фосфоинозитид-3-киназа (PI3-киназа) Киназа β-адренорецептора (βARK)

81 Семейство α-субъединиц G-белков I. Семейство α-субъединиц G-белков Существует около 20 различных форм α-субъединиц, которые сгруппированы в четыре класса на основе сходства их аминокислотной последовательности. 1.Gαs- активирует аденилатциклазу. 2.Gαf- ингибирует аденилатциклазу. 3.Gαо- опосредует закрытие Са 2+-каналов и ингибирует метаболизм фосфоинозитола (PI) 4.Gαт- расположена на поверхностных сегментах фоторецепторных палочек и стимулирует фосфодиэстеразу. 5. Другие специализированные α -субъединицы органов чувств обозначаются как α-olf для обонятельного и α-gust для вкусового анализатора.

82 Эффекторные механизмы G-белков 2. Существует по крайней мере четыре сигнальных механизма, связанных с процессом активации G- белков. Одна сигнальная молекула может запускать несколько различных механизмов передачи сигнала и вызывать множество метаболических ответов одновременно.

83 Роль аденилатциклазы, сAMP и Са 2+ Фермент аденилатциклаза катализирует образование молекулы вторичного мессенджера сАМР. Аденилатциклаза - это крупный (молекулярная масса ) белок с двумя трансмембранными участками, каждый из которых состоит из шести доменов. Восемь изоформ фермента делятся на две группы: (1) активируемые при участии кальций- связывающего белка кальмодулина и (2) без его участия. Аденилатциклаза присутствует во всех клетках, но характер экспрессии этого белка значительно варьирует, что объясняет специфическую активность отдельных клеток.

84

85 Роль аденилатциклазы, сAMP и Са 2+ G α s-белок активирует аденилатциклазу, которая катализирует синтез сАМР. Изменение конформационного состояния рецептора после связывания лиганда передается на G-белок, в результате чего изменяется связывание G α s-субъединицы с GDP и с другими субъединицами. При связывании G α s-субъединицы с аденилатциклазой исходный сигнал усиливается в 1000 раз путем образования вторичного мессенджера сAMР.

86 Роль аденилатциклазы, сAMP и Са 2+ Прекращение сигнала обеспечивается тремя событиями: 1. когда GTPaзa Gαs-субъединицы превращает GTP в GDP, Gαs-субъединица отделяется от фермента (аденилатциклазы); 2. молекулы сАМР активируют фермент фосфодиэстеразу, который гидролизует сАМР до 5'АМР и снижает внутриклеточную концентрацию вторичного мессенджера; 3. при отделении Gα-субъединицы от βγ- субъединицы рецептор теряет сродство к лиганду.

87 Роль аденилатциклазы, сAMP и Са 2+ Для функционирования такой сигнальной системы необходим механизм переключения сигнала и наличие агонистов, стимулирующих ответ. Различные изоформы α-субъединицы вызывают различные физиологические эффекты. Например, в адипоцитах адреналин и глюкагон активируют аденилатциклазу через Gαs, а простагландин E1 ингибирует аденилатциклазу. Простагландин E1 связывается с G-белком, в состав которого входит Gαi-субъединица. Эта изоформа тоже присоединяет GTP и связывается с аденилатциклазой, однако ингибирует, а не активирует синтез сАМР.

88

89 сАМР и протеинкиназа А сАМР регулирует различные функции клетки путем активации или ингибирования специфических клеточных белков. Изменяя активность специфических белков посредством сАМР-зависимой протеинкиназы А (РКА), сАМР может также изменять экспрессию различных генов. При увеличении концентрации сАМР в цитоплазме две молекулы сАМР соединяются с регуляторными субъединицами, изменяя конформацию комплекса. При этом две каталитические субъединицы отделяются от комплекса и могут фосфорилировать субстрат.

90 сАМР и протеинкиназа А На N-концах каталитических субъединиц расположены участки связывания АТР. Эти субъединицы переносят концевую фосфатную группу АТР на специфические сериновые и треониновые остатки акцепторных белков. Фосфорилирование этих белков регулирует их активность. Выявлена значительная гомология аминокислотной последовательности каталитических доменов РКА и эукариотических протеинкиназ.

91 Протеинкиназа А Многие каскадные процессы передачи сигнала начинаются с того, что сАМР активирует протеинкиназу А. Активированная РКА запускает следующие процессы: 1. метаболические реакции; 2.транскрипцию; 3. активацию ферментных систем, которые отщепляют фосфаты от протеинкиназы А, по механизму отрицательной обратной связи.

92 Метаболические процессы, регулируемые протеинкиназой А Глюкоза запасается в форме гликогена в мышечных и печеночных клетках. Гликоген образуется в результате трех ферментативных реакций: 1. гексокиназа присоединяет фосфат к шестому атому глюкозы; 2. фосфоглюкомутаза превращает глюкозо- 6-фосфат в глюкозо-1-фосфат; 3. пирофосфорилаза и уридинтрифосфат формируют уридиндифосфоглюкозу (UDP- глюкозу), необходимую для образования гликогенового полимера.

93 Метаболические процессы, регулируемые протеинкиназой А 4. На завершающем этапе гликогенсинтетаза использует UDP-глюкозу для образования гликогенового полимера. 5. Мышечные клетки постоянно синтезируют гликоген, поскольку он обеспечивает источник энергии, которая быстро высвобождается в случае необходимости. 6. Адреналин стимулирует протеинкиназу А через G-белковый механизм. Протеинкиназа А активирует распад гликогена путем фосфорилирования киназы гликогенфосфорилазы, активирующей гликогенфосфорилазу.

94 Метаболические процессы, регулируемые протеинкиназой А Хотя этот метаболический путь известен уже несколько десятилетий, связь между адреналином и активацией протеинкиназы А G- белком была обнаружена совсем недавно. РКА участвует также в регуляции многих других метаболических процессов

95 Роль протеинфосфатаз в передаче сигнала Протеинфосфатазы удаляют фосфатные группы, присоединенные протеинкиназами. Уровень процессов фосфорилирования в клетке зависит от баланса между активными киназами и фосфатазами. Фосфатазы обычно более специфичны по сравнению с киназами. Существует два основных типа фосфатаз: 1. отщепляющие фосфатные группы от остатков серина и треонина (серин- треонинфосфатазы); 2. отщепляющие фосфатные группы от остатков тирозина (тирозинфосфатазы).

96 Роль протеинфосфатаз в передаче сигнала Идентифицированы четыре типа серин- треонинфосфатаз: I, IIА, IIВ, IIС. Фосфатаза I инактивирует многие ферменты, стимулируемые протеинкиназой А, включая белки CREB. Фосфатаза IIA снимает фосфорилирование, катализируемое серин-треонинкиназами; это важно для процессов регуляции клеточного цикла. Фосфатаза IIВ, называемая также кальциневрином, широко распространена в головном мозге и активируется свободным кальцием. Фосфатаза IIС отличается от других типов по структуре; специфически связывается с ферментами, регулирующими метаболизм холестерола.

97 Роль протеинфосфатаз в передаче сигнала Фосфатазы почти не изменились в процессе эволюции. Данные ферменты выполняют жизненно необходимую функцию во всех эукариотических клетках. Например, фосфорилированные остатки серина и треонина составляют более 97% фосфатов, связанных с белками активированных клеток. При втором типе фосфорилирования для передачи сигнала внутрь клетки используются определенные тирозиновые остатки белков-мишеней. Тирозинфосфатазы составляют более крупное семейство ферментов по сравнению с серин- треонинфосфатазами.

98 Мобилизация вторичного мессенджера: кальций Концентрация кальция в цитоплазме поддерживается на низком уровне, 10 ~7 моль/л. При повышении концентрации Са 2+ запускается множество ферментативных процессов. Для выполнения этой функции в клетке должна поддерживаться постоянная концентрация кальция. На плазматической мембране, а также на мембране эндоплазматического ретикулума и митохондрий имеются АТР-зависимые кальциевые каналы, активно удаляющие свободный кальций из цитозоля во внеклеточную среду или в полость этих органелл. В эндоплазматическом ретикулуме имеются особые кальций-связывающие белки. Эти белки связывают большое количество кальция с низким сродством. Поэтому в полости ЭПР свободный кальций находится в слабо связанном состоянии.

99 Мобилизация вторичного мессенджера: кальций Выявлены и хорошо изучены два сигнальных механизма с участием кальция. Один из них функционирует в нервных клетках. Деполяризация нервного волокна вызывает приток ионов Са 2+ в нервное окончание, что приводит к высвобождению нейротрансмиттера. Са 2+ поступает в клетку через потенциалозависимые каналы, которые открываются в ответ на деполяризацию плазматической мембраны. Второй сигнальный механизм с участием Са 2+ обнаружен во всех клетках и запускается при связывании лиганда с рецепторами, расположенными на плазматической мембране. В данном случае Са 2+ поступает в цитозоль из эндоплазматического ретикулума под действием другого вторичного мессенджера, инозитолтрифосфата.

100 Клеточная сигнализация Роль мембранного фосфоинозитола Фосфатидилинозитол - малораспространенный липид, встречающийся преимущественно во внутреннем слое плазматической мембраны. Этот фосфолипид участвует в передаче сигнала, поступающего от рецепторов клеточной мембраны, и является субстратом для фосфолипазы С (PLC). PLC-p отщепляет головную группу от ацильных цепей фосфатидилинозитола.

101 Клеточная сигнализация Большинство клеток реагирует на активацию поверхностных рецепторов гидролизом инозитолфосфолипидов. При этом образуются два вторичных мессенджера: инозитолтрифосфат и диацилглицерол. Каждый фермент замещает гидроксильную группу инозитольного кольца на фосфатную. Этот фосфорилированный продукт является важным компонентом различных сигнальных механизмов. Инозитолфосфатный механизм очень сложен и включает несколько недавно открытых ферментов. Инозитол-содержащие липиды делятся на три основных типа: 1. фосфатидилинозитол (PI) 80% 2.фосфатидилинозитол-4-фосфат (PIP) 15% 3.фосфатидилинозитол-4, 5-бисфосфат (РIР2) 5%.

102 Клеточная сигнализация Инозитолфосфолипиды гидролизуются фосфолипазами типа С. Механизмы активации PLC-β и PLC-γ различаются. В активации фермента PLC-β участвуют Gα-подтипы, известные также как Gq (Gαq). Белок Gq активируется при связывании агонистов (ацетилхолина, гистамина, адреналина, 5-гидрокситриптамина, тромбоксана и глутамата) с соответствующими рецепторами и активирует PLC-β, которая расщепляет фосфоинозитолдифосфат на инозитолтрифосфат и диацилглицерол.

103 Клеточная сигнализация Фосфолипаза С-γ активируется факторами роста (эпидермальный факторо роста). При связывании этих лигандов с их рецепторами происходит фосфорилирование тирозиновых остатков, расположенных в цитоплазматических доменах рецепторов. Этот процесс приводит к образованию инозитолтрифосфата, диацилглицерола и других вторичных мессенджеров. Фосфоинозитол-3-киназа и PLC-γ связываются с цитоплазматическими доменами многих рецепторов, относящихся к семейству тирозинкиназ. Тирозинкиназы стимулируют каталитическую активность этих ферментов.

104 Клеточная сигнализация Роль IР3 в клеточной сигнализации. Инозитолтрифосфат - лиганд, активирующий кальциевые каналы ЭР. В клетках мышечной ткани гладкий ЭР называется саркоплазматическим ретикулумом, а кальциевые каналы - рианодиновыми каналами. Эти каналы одинаковы для всех типов клеток; IРз соединяется с белком канала, открывает его и ионы Са 2+ выходят в цитозоль по градиенту концентрации. Выход ионов Са 2+ способствует открытию дополнительных ионных каналов. Это происходит в течение 1-2 секунд и сопровождается увеличением притока кальция в цитозоль.

105 Клеточная сигнализация Этот процесс включает следующие основные этапы: 1. Лиганд активирует G-белок. 2.Gαq активирует PLC-β, которая отщепляет IРз от РIР2. 3. IРз связывается с Са 2+ и открывает мембранные каналы. 4.Са 2+ выходит из гладкого ЭР в цитозоль. 5. IРз дефосфорилируется цитоплазматическими фосфатазами и отсоединяется от ионных каналов. 6. Каналы закрываются. 7. Ионы Са 2+ удаляются из цитозоля с помощью АТР-зависимых ионных насосов.

106 Клеточная сигнализация РIР2 и актин-связывающие G-белки. Рецепторно-опосредованный гидролиз РIР2 часто сопровождается увеличением клеточной подвижности и изменениями цитоскелета, что обусловлено изменениями физических свойств актиновых сетей. Свойства этих сетей зависят от длины и концентрации актиновых филаментов, количества и геометрии поперечных связей между ними. Образование филаментов регулируется актин- связывающими G-белками. В случаях взаимодействия между сетевыми белками и актином изменяются молекулы, участвующие в процессе внутриклеточной сигнализации, включая ионы кальция и РIР2.

107 Клеточная сигнализация К актин-связывающим G-белкам, взаимодействующим с РIР2, относят: 1.профилин, белок разделяющий актиновые мономеры; 2.G-белки, разрывающие актиновые филаменты, гельзолин, виллин, северин, адсеверин, дестрин и кофилин; 3. белок gCap39, блокирующий концы актиновых филаментов; 4.α-актинин, белок, сшивающий актиновые филаменты.

108 Клеточная сигнализация Взаимодействие актин-связывающих белков с PIP2 обычно усиливает полимеризацию актина, в то время как их взаимодействие с ионами Са 2+ усиливает деполимеризацию. Снижение концентрации PIP2, сопряженное с увеличением концентрации Са 2+, приводит к деполимеризации филаментов. Изменение клеточной подвижности и формы контролируется изменением концентрации РIР2 и Са 2+.

109 Клеточная сигнализация Роль DAG в клеточной сигнализации. Одну из цепей диацилглицерола составляет радикал полиненасыщенной С-20 жирной кислоты арахидонат, соединенный эфирной связью с глицеролом. Арахидонат отщепляется от DAG фосфолипазой А2 и служит источником образования различных простагландинов и эйкозаноидов. DAG также выполняет роль одного из важнейших вторичных мессенджеров, который активирует РКС. DAG играет важную роль в активации связанной с мембраной протеинкиназы - РКС. Активация этого фермента на более длительный срок происходит за счет других липаз, активированных агонистами. DAG рассматривается как важнейший ингибитор такой активации РКС.

110 Роль РКС в клеточной сигнализации Протеинкиназа С или С-киназа - это белок с молекулярной массой к Да. Для полной активации РКС требуется присутствие ионов Са 2+, DAG и связь с фосфолипидами внутренней поверхности плазматической мембраны, преимущественно с фосфатидилсерином. В неактивном состоянии протеинкиназа С растворена в цитозоль. Цитозольная концентрация кальция повышается после активации кальциевых каналов инозитолтрифосфатом.

111 Роль РКС в клеточной сигнализации При повышении концентрации кальция РКС переносится к плазматической мембране. Фермент встраивается в мембрану и удерживается в ней за счет ионных взаимодействий с отрицательно заряженным фосфолипидом - фосфатидилсерином. Связь с мембраной облегчает работу протеинкиназы С. Кальций-связывающие домены РКС обеспечивают изменение конформации молекулы и увеличение ее каталитической активности. РКС фосфорилирует специфические остатки серина и треонина в молекулах-мишенях. При гидролизе DAG или при снижении внутриклеточной концентрации ионов кальция РКС инактивируется.

112 Физиологические функции РКС РКС участвует в ряде жизненно важных клеточных процессов: клеточном делении, секреции, экзоцитозе, переносе ионов, сокращении гладкой мускулатуры и экспрессии генов. Особенный интерес представляет роль РКС в регуляции экспрессии генов. РКС активирует одну из важнейших цитозольных киназ - киназу митоген- активируемого белка. Эта киназа запускает каскадный механизм, приводящий к фосфорилированию ядерного фактора транскрипции Elk-1.

113 Физиологические функции РКС Связывание этого фактора с сывороточным чувствительным элементом приводит к увеличению транскрипции генов, кодирующих белки клеточной репликации. Протеинкиназа С запускает также второй механизм регуляции генной экспрессии - высвобождение цитоплазматического фактора транскрипции NFkB, который активируется в результате его отделения от инактивирующего комплекса IkB.

114 Внутриклеточные кальциевые каналы Ионы Са 2+ играют ключевую роль в регуляции внутриклеточных механизмов передачи сигнала. Повышение концентрации Са 2+ происходит внезапно в отдельных участках клетки (всплески кальция), и затем волнообразно распространяется по всей цитоплазме. Клетки используют для генерации сигнала два источника: 1. высвобождение Са 2+ из внутренних депо; 2. приток Са 2+ через плазматическую мембрану

115 Внутриклеточные кальциевые каналы Выход ионов кальция из внутренних депо контролируется двумя типами каналов: рианодиновыми рецепторами и IРз рецепторами. Каналы регулируются изменением концентрации ионов кальция. При снижении концентрации внеклеточного Са 2+ усиливается его выход из внутриклеточных депо, а при увеличении концентрации внеклеточного кальция высвобождение из внутриклеточных депо блокируются. За быстрым и резким выходом кальция, называемым кальциевым всплеском, следует его волнообразное распределение по всей клетке.

116 Внутриклеточные кальциевые каналы Функции кальция как вторичного мессенджера заключаются в следующем: 1.Са 2+ напрямую связывается с различными эффекторными молекулами, например с РКС. 2.Са 2+ соединяется с неактивными цитоплазматическими модуляторами эффекторных молекул и активирует их.

117 Кальмодулин:кальций-связывающий белок Небольшой белок (14 к Да), который содержит четыре участка для присоединения кальция. Он выполняет множество эффекторных функций. Способен значительно изменять конформацию при соединении с Са 2+. Са 2+ -кальмодулиновый комплекс участвует в регуляции многих ферментов, таких как Са 2+ -активируемые насосы, удаляющие свободный кальций из цитозоля. Этот комплекс принимает участие в процессах фосфорилирования; молекулы комплекса служат кофактором для активации кальций-кальмодулин-зависимых киназ (СаМ- киназ) которые фосфорилируют остатки серина и треонина на специфических белках.

118 Внутриклеточные кальциевые каналы Одна из наиболее хорошо описанных киназ -СаМ- киназа II. Эта киназа сконцентрирована в синапсах и играет роль молекулы памяти, которая включается при стимуляции кальцием и кальмодулином, и поддерживает биомолекулярный сигнал даже после прекращения кальциевой стимуляции. При активации Са 2+ кальмодулином эти киназы самофосфорилируются и фосфорилируют другие белки. Благодаря самофосфорилированию этот фермент остается активным после снижения концентрации кальция, что обеспечивает удлинение сигнального эффекта. Сигнал выключается когда самофосфорилирование ингибируется другими киназами.

119 Молекулярные принципы передачи сигнала в сенсорных клетках В органах чувств млекопитающих имеются особые клетки: 1. зрительные клетки - фоторецепторы 2. обонятельные нейроны 3. вкусовые рецепторы языка для восприятия соленого, сладкого, кислого и горького вкуса 4.механорецепторы, обеспечивающие тактильную чувствительность. Большинство чувствительных клеток - это эпителиальные клетки, соединенные с нейронами, передающими сигналы в головной мозг. Обонятельные клетки представляют собой модифицированные нейроны.

120 Молекулярные принципы передачи сигнала в сенсорных клетках В механорецепторах, чувствительных к растяжению и прикосновению, а также во вкусовых клетках рецепторную функцию выполняют белки натриевых каналов, локализованные в мембране клеток. Передача сигнала происходит во время открытия канала, когда ионы натрия входят в клетку и вызывают ее деполяризацию. Фоторецепторные клетки и обонятельные нейроны воспринимают сигналы рецепторами, семикратно пронизывающими мембрану и сопряженными с G-белками.

121 Молекулярный механизм зрения Фоторецепторная сигнальная система: палочки Сетчатка человека содержит два типа фоторецепторных клеток: палочки и колбочки. Палочки стимулируются при слабой освещенности, а колбочки при ярком свете. Наружный сегмент фоторецептора содержит множество дисков - мембранных складок, покрытых молекулами рецепторного белка родопсина. Во внеклеточном домене опсинового белка имеется гидрофобный карман для связывания светочувствительного пигмента, 11-цис-ретиналя. Это стереоизомер витамина А, который связывается с опсиновым белком. Сразу после присоединения 11-цис-ретиналя к опсиновому белку рецептор может активироваться световым фотоном. Пигмент (11-цис-ретиналь) поглощает фотон и превращается в полный транс-ретиналь.

122 Фоторецепторная сигнальная система: палочки

123 Палочки

124 Фоторецепторная сигнальная система: палочки Это приводит к отделению пигмента от рецептора, опсина. В результате этого процесса активируется специфический G-белок. Родопсиновые рецепторы мембранных складок находятся в непосредственной близости от белков Na+ каналов. В состоянии покоя палочки деполяризованы. Низкий потенциал покоя обеспечивается тем, что Na+ каналы постоянно находятся в открытом состоянии и Na+ относительно свободно проникает внутрь клетки.

125 Фоторецепторная сигнальная система

126 Молекулярные принципы передачи сигнала в сенсорных клетках При таких условиях фоторецептор также секретирует нейротрансмиттеры и поддерживает биполярную клетку в постоянном возбуждении. Родопсиновый комплекс. Когда родопсиновый комплекс поглощает фотон света в диапазоне длин волн нм, происходит изомеризация 11-цис- ретиналя в полный транс-ретиналь, который отделяется от опсинового белка. Эта конформационная перестройка пигмента активирует опсиновый белок, который использует энергию протона для активации тримерного G-белка, связанного с внутренней поверхностью рецептора

127 Перенос сигнала в палочках

128

129 Фоторецепторная сигнальная система: палочки Рецептор активируется при удалении лиганда (поглощающего свет пигмента). Это отличает опсиновый рецептор от других рецепторов, сопряженных с G- белками, которые активируются при связывании агониста. Первой была идентифицирована Gα- субъединица фоторецептора, названная трансдуцином (или GαT). GαT-субъединица отделяется от βγ- субъединицы и активирует связанную с мембраной молекулу эффектора.

130 Фоторецепторная сигнальная система: палочки В палочках натриевые каналы активируются cGMP, синтез которого катализируется гуанилатциклазной. В состоянии покоя Na+ каналы открыты. Для поддержания белков канала в открытом состоянии необходима высокая концентрация cGMP, три молекулы на рецептор. При световой активации GαT отделяется от рецептора и активирует cGMP-фосфодиэстеразу, гидролизующую cGMP до GMP, что приводит к закрытию натриевых каналов.

131 Фоторецепторная сигнальная система: палочки cGMP-фосфодиэстераза неактивна до тех пор, пока она связана с ингибиторной субъединицей. αт-субъединица G-белка связывается с фосфодиэстеразой и отщепляет ингибиторную субъединицу, обеспечивая тем самым быстрый гидролиз cGMP. Связанная GTP быстро гидролизуется до GDP, что вызывает отщепление GαT от диэстеразы и обратное связывание с βγ-субъединицей. Далее cGMP-фосфодиэстераза становится неактивной, уровень cGMP повышается, натриевые каналы открываются, и 11-цис-изомер соединяется с молекулой опсина.

132 Фоторецепторная сигнальная система: колбочки Функция палочек подавляется ярким светом, а колбочки не реагируют на слабое освещение. При переходе из света в темноту необходим краткий период зрительной адаптации. Открытие молекулярных процессов преобразования световой энергии в химическую - одно из самых значительных достижений последнего десятилетия. Биохимическая адаптация к источнику света происходит по механизму отрицательной обратной связи. Ферментативная активность гуанилатциклазы стимулируется ионами Са 2+; в состоянии покоя концентрация Са 2+ достаточно высока для того, чтобы поддерживать образование cGMP. Этот циклический нуклеотид контролирует натриевые и кальциевые каналы, открывающиеся в ответ на повышение концентрации cGMP.

133 Фоторецепторная сигнальная система: колбочки Снижение внутриклеточной концентрации Са 2+ активирует кальций-чувствительные белки, связывающиеся с гуанилатциклазной. Вслед за этим включается другой механизм, модулирующий чувствительность палочек к свету: опсинкиназа, присутствующая в цитоплазме палочек, фосфорилирует цитоплазматическую поверхность опсинового рецептора в нескольких местах. Потенциально могут фосфорилироваться семь сериновых и треониновых остатков. При интенсивном освещении опсин максимально фосфорилирован; чем больше сила света, тем больше опсина фосфорилируется. При перемещении в темное помещении опсин дефосфорилируется, и меньший световой сигнал может активировать клетку.

134 Молекулярные механизмы обоняния Установлено, что человек может различать различных запахов. Обонятельные рецепторы - это измененные нейроны, а не специализированные эпителиальные клетки. Для каждого пахучего вещества есть свой нейрон. Обонятельные нейроны имеют специализированные реснички, содержащие обонятельный рецептор, связанный с G-белком. Предполагается, что для каждого запаха есть свой рецептор.

135 Молекулярные механизмы обоняния Сигнальные процессы обоняния включают растворение пахучей молекулы в секрете, покрывающем поверхность обонятельного эпителия. Применение технологии клонирования позволило выявить несколько сотен различных генов обонятельных рецепторов. Обонятельные нейроны живут обычно около месяца, после чего замещаются; эти клетки относятся к очень редкому типу делящихся нейронов.