Одно из условий существования живых организмов – согласованное протекание всех химических и физических процессов в клетке. В процессе эволюции происходили отбор и закрепление тех регуляторных механизмов, которые наиболее эффективно обеспечивали согласованность физико-химических процессов в биологических системах. У многоклеточных организмов для поддержания целостности организма, координации активности тканей и осуществления гибкой регуляции физиологических функций клеток в процессе эволюции выработался сложный механизм межклеточных взаимодействий, который реализуется с помощью сигнальных молекул.
Пути регуляции функций клетки: 1. Изменение активности ферментов 2. Изменение компартментализации веществ. 3. Топодинамическая регуляция. 4. Химическая модификация белков. 5. Экспрессия генома. 6. Активация вторичных посредников.
1. Первый путь регуляции клеточных функций обусловлен изменением активности ферментов. 2. Роль компартментализации (пространственного разделения) метаболических процессов в клетках эукариот очень велика. Локализация специфических метаболических процессов в цитозоле или в клеточных органоидах облегчает независимую регуляцию этих процессов и позволяет осуществить наиболее тонкую регуляцию метаболизма. Поскольку ферменты и субстраты зачастую разделены мембраной, изменение ее проницаемости для субстратов, несомненно, скажется на ходе ферментативных реакций.
3. В связи с тем, что многие ферменты клетки встроены в цитоплазматические мембраны, существует третий путь регуляции клеточной активности – так называемая топодинамическая регуляция, основанная на динамической неоднородности распределения белков в мембране, их способности образовывать ассоциации. Объединение ферментов, катализирующих многоступенчатую последовательность метаболических реакций в макромолекулярный комплекс, позволяет координировать их работу и обеспечивает перемещение интермедиатов по метаболическому пути.
4. Четвертым способом регуляции клеточной активности является химическая модификация ферментов и других белков. В зависимости от того, какая химическая группа присоединяется к белку, различают ацетилирование (введение остатка уксусной кислоты CH 3 CO-), аденилирование, гидроксилирование, метилирование, фосфорилирование и др. Присоединение химической группы изменяет функциональную активность или свойства белка, например устойчивость к протеолизу. Некоторые модификации белка (гидроксилирование, метилирование) сохраняются в течение всей его жизни, другие – в течение нескольких часов, суток (ацетилирование, аденилирование), минут (фосфорилирование). Наиболее хорошо изучено фосфорилирование белков, которое представляет собой присоединение к белку фосфатной группы.
Ферменты, отвечающие за присоединение фосфатных групп к белковым молекулам, называют протеинкиназами. Источником фосфатной группы служит ATP. Обратную реакцию (дефосфорилирование) осуществляют протеинфосфатазы. 5. В качестве пятого способа регуляции клеточной активности следует назвать экспрессию генома. Регуляция количества белка в клетке осуществляется посредством индукции и репрессии его синтеза, т. е. в результате изменения скорости транскрипции соответствующего гена. У многоклеточных эукариот роль индукторов выполняют специфические регуляторы, например тиреоидные и стероидные гормоны.
6. Шестым способом регуляции активности клеток является система, связанная с так называемыми вторичными посредниками (медиаторами, мессенджерами). Вследствие взаимодействия сигнальной молекулы с рецептором мембраны внутри клетки вырабатываются так называемые вторичные посредники, которые запускают каскадный механизм, приводящий в конечном итоге к изменению активности клетки.
Виды сигнальных молекул: Небольшие липофильные молекулы, которые диффундируют через мембрану и связываются с внутриклеточными рецепторами. Липофильные молекулы, которые взаимодействуют с рецепторами клеточной мембраны. Гидрофильные молекулы, которые взаимодействуют с рецепторами клеточной мембраны (гидрофильные гормоны, факторы роста, цитокины, нейротрансмиттеры).
К первой группе относятся стероидные гормоны, вырабатываемые половыми железами и корой надпочечников. Рецепторы стероидных гормонов обладают высокой избирательностью к лиганду. Они представлены крупными белками (50– 120 к. Да), в отсутствии гормона расположенными в цитоплазме или ядре и включающими ряд доменов, которые выполняют определенные функции.
Ко второй группе сигнальных молекул относятся производные арахидоновой кислоты – эйкозаноиды (окисленные производные полиненасыщенных жирных кислот, от греческого слова eikosi – 20). Их представителями являются простагландины, лейкотриены, простациклины и тромбоксаны. Эйкозаноиды образуются практически во всех клетках, их биосинтез инициируется фосфолипазой А 2. Эйкозаноиды регулируют многие физиологические процессы: стимуляцию сокращения гладкомышечных клеток, болевые и воспалительные реакции, секрецию желудочного сока, агрегацию тромбоцитов и др. Наиболее хорошо из этой группы сигнальных молекул изучены простагландины.
Третью группу сигнальных молекул составляют гидрофильные гормоны, факторы роста, лимфокины (цитокины). Гормоны вырабатываются специализированными эндокринными железами или клетками, транспортируются к клеткам-мишеням посредством кровотока. Иногда факторы роста и цитокины объединяют в группу гистогормонов. Общим для них является следующее: вырабатываются обычными неэндокринными клетками; распространяются путем диффузии в межклеточное пространство; оказывают паракринное или аутокринное действие.
Факторы роста представляют собой белки, которые стимулируют (ингибируют) деление и развитие определенных клеток. Примеры факторов роста: эпидермальный фактор роста; фактор роста нейронов; фактор роста фибробластов (клетки соединительной ткани организма, синтезирующие внеклеточный матрикс) и др. Цитокины участвуют в воспалительных, иммунных и других защитных реакциях организма. В связи с этим они вырабатываются клетками иммунной системы. Примерами цитокинов могут служить интерлейкины и интерфероны.
Системы регуляции клеточной активности, обусловленной вторичными посредниками. Выделяют 4 типа сигнализации действия сигнальных молекул: Эндокринная сигнализация предполагает, что сигнальные молекулы, чаще всего гормоны, образуются в клетках (эндокринные железы), находящихся на значительном расстоянии от клеток -мишеней, к которым доставляются, как правило, с током крови.
При паракринной регуляции сигнальные молекулы, выделяемые секреторной клеткой, действуют на близлежащие клетки-мишени. Синаптическая передача, характерная только для нервной системы, в настоящем пособии рассматриваться не будет. При аутокринной сигнализации сигнальная молекула, продуцируемая данной клеткой, оказывает воздействие на эту же самую клетку. Этим путем действуют многие факторы роста.
Межклеточная коммуникация посредством внеклеточных сигнальных молекул включает несколько основных этапов: 1. Биосинтез сигнальных молекул 2. Секреция сигнальных молекул 3. Транспорт сигнальных молекул к клеткам-мишеням 4. Восприятие сигнала специфическим рецептором. 5. Изменение клеточного метаболизма или экспрессии генов, запускаемое лиганд*-рецепторным комплексом 6. Устранение действия сигнального механизма и прекращение клеточного ответа на сигнал. * – Под лигандом здесь понимается сигнальная молекула.
Клеточный рецептор - молекула на поверхности клетки, клеточных органелл или растворенная в цитоплазме, специфически реагирующая изменением своей пространственной конфигурации на присоединение к ней молекулы определенного химического вещества, передающего внешний регуляторный сигнал и, в свою очередь, передающая этот сигнал внутрь клетки или клеточной органеллы, нередко при помощи так называемых вторичных посредников или трансмембранных ионных токов.
Характеристики рецепторов: 1. Селективность 2. Насыщаемость 3. Сродство к лиганду. 4. Тканевая специфичность 5. Обратимость действия
1. Селективность. Это свойство основано на строгой структурной специфичности. Данный лиганд должен быть либо единственным веществом, связывающимся с рецептором, либо эффективно конкурировать с другими за места связывания. 2. Насыщаемость. Число мест связывания должно бытьконечным 3. Сродство к лиганду. Насыщение происходит при физиологических концентрациях агониста. Агент, который переводит рецептор в активное состояние, называется агонистом. В неактивное состояние рецептор переводит антагонист.
4. Тканевая специфичность Связывание агониста происходит в той ткани, где наблюдается его биологическое действие. 5. Обратимость действия. Блокада связывания агониста с рецептором должна приводить к обратимости биологического эффекта.
Классификация основанная на механизме передачи внеклеточного сигнала. Согласно этому подходу, выделяют 4 типа рецепторов: 1. Рецепторы-каналы. Связывание с лигандом приводит к изменению конформации рецептора, что позволяет определенным ионам проходить через канал. Результатом активации таких рецепторов является изменение мембранного потенциала или внутриклеточного уровня вторичного посредника. Примеры: ионные каналы и никотиновый ацетилхолиновый рецептор в нервно-мышечном соединении; Са 2+-каналы саркоплазматического ретикулума.
2. Рецепторы, сопряженные с Gбелками. В результате связывания лиганда с рецептором активируется Gбелок, который стимулирует или ингибирует ферменты, производящие вторичные посредники. Примеры: холинергические, адренергические и др.
3. Каталитические рецепторы, проявляющие ферментативную активность. Этот класс рецепторов включает несколько подтипов: рецепторы, проявляющие гуанилатциклазную активность; рецепторы, проявляющие фосфатазную активность; рецепторы, проявляющие тирозинкиназную активность. К последней подгруппе принадлежат рецепторы инсулина, многих ростовых факторов.
4. Рецепторы, не проявляющие каталитической активности, но сопряженные с тирозинкиназой. Связывание с лигандом приводит к димеризации мономерных рецепторов, которые активируют тирозинкиназу. Примеры: рецепторы цитокинов, интерферонов, некоторых ростовых факторов.
Другая классификация клеточных рецепторов: 1. Механорецепторы (рассматриваются позже) 2. Терморецепторы (вообще не рассматриваются) 3. Хеморецепторы а) ионотропные б) метаботропные
Хеморецепторы: 1. Рецептор-канал (рис. б); 2. Рецептор сопряженный с G-белком (рис. а); 3. Рецептор проявляющий ферментативную активность (рис. гж); 4. Рецептор сопряженный с тирозинкиназой (но не проявляющий ферментативной активности) (рис. в)
1. Строение и механизм действия рецепторов-каналов. Рецепторы-каналы никотиновые ацетилхолиновые рецепторы, находящиеся на постсинаптической мембране нервно-мышечного соединения. Никотиновый ацетилхолиновый рецептор представляет собой гликопротеин, состоящий из 5 субъединиц (2 ,), которые кодируются 4 разными генами. Он имеет 2 участка для связывания ацетилхолина. Связывание 2 молекул ацетилхолина с рецептором вызывает его конформационные изменения, что приводит к открыванию канала. Время открытого состояния канала составляет примерно 1 мсек.
В крови и других жидкостях содержатся белки, которые могут убивать или помогать обезвреживать микробов. В состав плазмы крови входят антитела - белки, каждый из которых узнает определенный вид микроорганизмов или иных чужеродных агентов, - а также защитные белки системы комплемента. Существует несколько классов антител (эти белки еще называют иммуноглобулинами), самый распространенный из них - иммуноглобулин G. В слюне и в слезах содержится белок лизоцим - фермент, расщепляющий муреин и разрушающий клеточные стенки бактерий. При заражении вирусом клетки животных выделяют белок интерферон, препятствующий размножению вируса и образованию новых вирусных частиц.
Защитную функцию для микроорганизмов выполняют и такие неприятные для нас белки, как микробные токсины - холерный токсин, токсин ботулизма, дифтерийный токсин и т. п. Повреждая клетки нашего организма, они защищают микробов от нас.
Белки служат для восприятия и передачи сигналов. В физиологии есть понятие клетки-рецептора, т.е. клетки, которая воспринимает определенный сигнал (например, в сетчатке глаза находятся клетки-зрительные рецепторы). Но в клетках-рецепторах эту работу осуществляют белки-рецепторы. Так, белок родопсин, содержащийся в сетчатке глаза, улавливает кванты света, после чего в клетках сетчатки начинается каскад событий, который приводит к возникновению нервного импульса и передаче сигнала в мозг.
Белки-рецепторы есть не только в клетках-рецепторах, но и в других клетках. Очень важную роль в организме играют гормоны - вещества, выделяемые одними клетками и регулирующие функцию других клеток. Гормоны связываются со специальными белками - рецепторами гормонов на поверхности или внутри клеток-мишеней.
Многие (хотя и далеко не все) гормоны являются белками - например, все гормоны гипофиза и гипоталамуса, инсулин и др. Еще одним примером белков, выполняющих эту функцию, могут служить внутриклеточные белки, регулирующие работу генов.
Многие белки могут выполнять несколько функций.
Макромолекулы белков состоят из б-аминокислот. Если в состав полисахаридов обычно входит одна и та же «единица» (иногда две), повторяющаяся много раз, то белки синтезируются из 20 разных аминокислот. После того, как молекула белка собрана, некоторые аминокислотные остатки в составе белка могут подвергаться химическим изменениям, так что в «зрелых» белках можно обнаружить более 30 различных аминокислотных остатков. Такое разнообразие мономеров обеспечивает и многообразие биологических функций, выполняемых белками.
б-аминокислоты имеют следующее строение:
здесь R - различные группы атомов (радикалы) у разных аминокислот. Ближайший к карбоксильной группе атом углерода обозначается греческой буквой б, именно с этим атомом соединена аминогруппа в молекулах б-аминокислот.
В нейтральной среде аминогруппа проявляет слабые основные свойства и присоединяет ион Н+, а карбоксильная - слабо кислотные и диссоциирует с освобождением этого иона, так что хотя в целом суммарный заряд молекулы не изменится, она будет одновременно нести положительно и отрицательно заряженную группу.
В зависимости от природы радикала R различают гидрофобные (неполярные), гидрофильные (полярные), кислые и щелочные аминокислоты.
У кислых аминокислот имеется вторая карбоксильная группа. Она немного сильнее карбоксильной группы уксусной кислоты: у аспарагиновой кислоты половина карбоксилов диссоциирована при рН 3,86, у глютаминовой - при рН 4,25, а у уксусной - лишь при 4,8. Среди щелочных аминокислот самой сильной является аргинин: половина его боковых радикалов сохраняет положительный заряд при рН 11,5. У лизина боковой радикал является типичным первичным амином, он остается наполовину ионизированным при рН 9,4. Самая слабая из щелочных аминокислот - гистидин, его имидазольное кольцо наполовину протонировано при рН 6.
Среди гидрофильных (полярных) также имеются две аминокислоты, способные ионизироваться при физиологических рН - цистеин, у которого SH-группа может отдавать ион Н+ подобно сероводороду, и тирозин, у которого есть слабокислая фенольная группировка. Однако эта способность выражена у них очень слабо: при рН 7 цистеин ионизирован на 8 %, а тирозин - на 0,01 %.
Для обнаружения б-аминокислот обычно используют нингидриновую реакцию: при взаимодействии аминокислоты с нингидрином образуется ярко окрашенный синий продукт. Кроме того, отдельные аминокислоты дают свои специфические качественные реакции. Так, ароматические аминокислоты дают желтое окрашивание с азотной кислотой (в ходе реакции происходит нитрование ароматического кольца). При подщелачивании среды окраска изменяется на оранжевую (подобное изменение окраски происходит и у индикаторов, например, метилоранжа). Эта реакция под названием ксантопротеиновой используется также для детекции белка, поскольку в большинстве белков есть ароматические аминокислоты; желатин не дает этой реакции, поскольку почти не содержит ни тирозина, ни фенилаланина, ни триптофана. При нагревании с плюмбитом натрия Na2PbO2 цистеин образует черный осадок сульфида свинца PbS.
Растения и многие микробы могут синтезировать аминокислоты из простых неорганических веществ. Животные могут синтезировать лишь некоторые аминокислоты, другие же должны получать с пищей. Такие аминокислоты называются незаменимыми. Для человека незаменимыми являются фенилаланин, триптофан, треонин, метионин, лизин, лейцин, изолейцин, гистидин, валин и аргинин. К сожалению, злаковые культуры содержат очень мало лизина и триптофана, зато эти аминокислоты в существенно большем количестве содержатся в бобовых культурах. Не случайно традиционные диеты земледельческих народов обычно содержат как злаки, так и бобовые: пшеница (или рожь) и горох, рис и соя, кукуруза и бобы являются классическими примерами такого сочетания у народов разных континентов.
б-Атом углерода у всех 20 аминокислот находится в состоянии sp3-гибридизации. Все его 4 связи расположены под углом около 109°, так что формулу аминокислоты можно вписать в тетраэдр.
Легко убедиться, что могут существовать два вида аминокислот, которые являются зеркальными отображениями друг друга. Как бы мы ни перемещали и ни поворачивали их в пространстве, совместить их невозможно - они различаются как правая и левая рука.
Такой вид изомерии называется оптической изомерией. Он возможен только в том случае, если у центрального атома углерода (он называется асимметрическим центром) со всех 4 сторон находятся разные группы (поэтому глицин не имеет оптических изомеров, а остальные 19 аминокислот имеют). Из двух разных изомерных форм аминокислот ту, что на рис. 1 расположена справа, называют D-формой, а слева - L-формой.
Основные физические и химические свойства D- и L-изомеров аминокислот одинаковы, однако различаются оптические свойства: их растворы вращают плоскость поляризации света в противоположные стороны. Различна и скорость их реакций с другими оптически активными соединениями.
Интересно, что в состав белков всех живых организмов от вирусов до человека входят только L-аминокислоты. D-формы встречаются в некоторых антибиотиках, синтезируемых грибами и бактериями. Белки могут образовывать упорядоченную структуру лишь в том случае, если в их состав будут входить только изомеры аминокислот одного типа.
Рецепторная функция - это важнейшая способность клетки адекватно реагировать на сигналы внешней и внутренней среды, позволяющая приспосабливаться к меняющимся условиям существования.
Сигналы - это различные вещества или виды энергии, передающие в клетку определенную информацию. Сигналы могут быть:
Химическими - гормоны, медиаторы, факторы роста, цитокины и др.; пахучие вещества или отличающиеся вкусом;
Физическими - свет, звук, температура, давление, электрические потенциалы;
Физико-химическими - осмотическое давление, напряжение О 2 или СО 2 ;
Сложными.
Клеточные рецепторы - это генетически детерминированные макромолекулы, локализованные в различных областях клетки и специализированные на восприятии биологически значимых специфических сигналов химической и физической природы. По своей структуре рецептор состоит из 3 доменов:
1) внемембранного - обеспечивает связывание с сигнальным веществом - лигандом;
2) трансмембранного - переносит сигнал, способен к трансформации;
3) цитоплазматического - обеспечивает внутриклеточные процессы - реакцию на сигнал.
Клеточные рецепторы делят на 2 группы:
Рецепторы плазматической мембраны;
Внутриклеточные рецепторы – цитоплазматические и ядерные.
Рецепторы плазматической мембраны расположены на поверхности плазмолеммы и способны высокоспецифически связываться с лигандами. По химической природе это преимущественно гликопротеины.
Рецепторы выполняют функции:
1) регулируют проницаемость плазмолеммы, изменяя конформацию белков и ионных каналов;
2) регулируют поступление некоторых молекул в клетку;
3) действуют как датчики, превращая внеклеточные сигналы во внутриклеточные;
4) связывают молекулы внеклеточного матрикса с цитоскелетом; эти рецепторы называются интегринами , они обеспечивают формирование контактов между клетками и клеткой и межклеточным веществом.
Рецепторы плазматической мембраны можно разделить на 5 семейств:
- рецепторы, связанные с каналами , взаимодействуют с лигандом - нейромедиатором, который временно открывает или закрывает воротный механизм, в результате чего начинается или блокируется транспорт ионов через канал. Каналообразующие рецепторы состоят из ассоциированных белковых субъединиц, специфически пропускающих ионы. С этими рецепторами взаимодействуют глютаминовая кислота, γ-аминомасляная кислота, глицин, циклические мононуклеотиды (цАМФ, цГМФ);
- каталитические рецепторы включают внеклеточную часть (собственно рецептор, который воспринимает сигнал) и цитоплазматическую часть, которая работает как протеинкиназа. Информация сигнальной молекулы приводит к началу каскада биохимических изменений в клетке, что приводит к определенному физиологическому ответу. На такие рецепторы воздействует инсулин, эпидермальный и тромбоцитарный фактор роста, фактор роста нервов.
- рецепторы, связанные с G-белками - это трансмембранные белки, связанные с ионным каналом или ферментом. Это целый комплекс молекул, который включает:
1) сам рецептор, взаимодействующий с сигнальной молекулой (первый посредник) - это интегральный белок, который 7 раз прошивает плазмолемму, внутриклеточные петли этих рецепторов содержат центры связывания G-белка (например, β-адренорецептор);
2) G-белок (гуанозин трифосфат-связывающего регуляторный белок, состоящий из нескольких компонентов), который передает сигнал на связанный с мембраной фермент (аденилатциклазу) или ионный канал, после чего активируется;
3) второй внутриклеточный посредник - чаще циклический АМФ или ГМФ (цАМФ, гАМФ) или Са 2+ .
Через такие рецепторы реализуются эффекты 80 % нейромедиаторов, пептидных гормонов;
- иммуноглобулиновые рецепторы - это рецепторы-иммуноглобулины на поверхности макрофагов и иммунокомпетентных клеток, обеспечивающие распознавание всего чужеродного и иммунный ответ организма.
- интегрины - клеточные адгезионные молекулы - трансмембранные белки, которые служат рецепторами для внеклеточных фибриллярных макромолекул - фибронектина и ламинина. Фибронектин связывается с клетками и молекулами внеклеточного матрикса (коллагеном, гепарином, фибрином). Фибронектин как адгезионный мостик между клеткой и межклеточным веществом. Внутриклеточная часть интегрина соединяется через другие белки (винкулин, талин, α-актинин) с цитоскелетом.
Таким образом, рецепторы плазмолеммы воспринимают различные сигналы, которые при необходимости изменяют метаболизм в клетке, инициируют и регулируют сокращения, секрецию клетки, модулируют электрический потенциал на поверхности мембраны.
Внутриклеточные рецепторы. Внутриклеточные рецепторы являются белками, регулирующими генную активность клетки. Они располагаются:
В цитоплазме и в мембране органелл. Цитоплазматические рецепторы обнаружены для стероидных гормонов, например, для глюко- и минералокортикоидов, андрогенов и прогестерона. Митохондрии имеют рецепторы к тиреоидным гормонам;
В ядре - ядерные рецепторы для тиреоидных гормонов, рецепторов для эстрогенов, витамина Д, ретиноевой кислоты.
Рецепторы для стероидных гормонов имеют 3 домена (части):
1) гормон-связывающий - для взаимодействия с лигандом;
2) ДНК-связывающий;
3) домен, активирующий транскрипцию.
Сигнальные молекулы для таких рецепторов гидрофобные и свободно диффундируют через плазмолемму, затем связываются с внутриклеточными белками-рецепторами. После этого изменяется конформация белка, происходит его активация, повышается сродство к ДНК. Такие гормон-рецепторные комплексы связываются со специфическими генами в ядре, и, регулируя их экспрессию, обеспечивают биосинтез ряда ферментов, изменяющих функциональное состояние клетки.
ТЕМА 5
МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, ТИПЫ И СТРУКТУРНО-
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ
Межклеточные соединения - это специальные структуры, которые вместе с плазмолеммой обеспечивают взаимодействие между клетками. Межклеточные контакты обеспечиваются гликокаликсом и связанными с ним белками. Межклеточные соединения можно подразделить на 2 основных вида:
1. Механические соединения - обеспечивают механическую связь клеток друг с другом. К ним относят простые и сложные соединения: плотные соединения (плотный контакт), десмосомы, интердигитации.
2. Коммуникационные соединения - обеспечивают химическую связь между клетками. К ним относят щелевые соединения.
Механические соединения
I. Простое межклеточное соединение - сближение плазмолемм соседних клеток на расстояние 15–20 нм. При этом гликопротеиды соседних клеток специфичны и «узнают» друг друга, то есть являются рецепторами (кадгерины, интегрины). Обязательным условием соединения является наличие ионов Са 2+ . Например, Е-кадгерины обеспечивают соединение эпителиальных клеток по всей контактирующей поверхности (рисунок 3).
Рисунок 3 - Простое межклеточное соединение (схема):
Этого рецептора. Внутри организма это обычно гормон или нейромедиатор либо их искусственные заменители, применяемые в качестве лекарственных средств и ядов (агонисты). Некоторые лиганды, напротив, блокируют рецепторы (антагонисты). Когда речь идет об органах чувств, лигандами являются вещества, воздействующие на рецепторы обоняния или вкуса . Кроме того, молекулы зрительных рецепторов реагируют на свет, а в органах слуха и осязания рецепторы чувствительны к механическим воздействиям (давлению или растяжению), вызываемым колебаниями воздуха и иными раздражителями. Существуют также термочувствительные белки-рецепторы и белки-рецепторы, реагирующие на изменение мембранного потенциала.
Клеточные рецепторы можно разделить на два основных класса - мембранные рецепторы и внутриклеточные рецепторы.
Функция «антенн» - это распознавание внешних сигналов. Распознающие участки двух соседних клеток могут обеспечивать сцепление клеток, связываясь друг с другом. Благодаря этому клетки ориентируются и создают ткани в процессе дифференцировки. Распознающие участки присутствуют и в некоторых молекулах, которые находятся в растворе, благодаря чему они избирательно поглощаются клетками, имеющими комплементарные распознающие участки (так, например, поглощаются ЛПНП с помощью рецепторов ЛПНП).
Два основных класса мембранных рецепторов - это метаботропные рецепторы и ионотропные рецепторы .
Ионотропные рецепторы представляют собой мембранные каналы , открываемые или закрываемые при связывании с лигандом. Возникающие при этом ионные токи вызывают изменения трансмембранной разности потенциалов и, вследствие этого, возбудимости клетки, а также меняют внутриклеточные концентрации ионов, что может вторично приводить к активации систем внутриклеточных посредников. Одним из наиболее полно изученных ионотропных рецепторов является н-холинорецептор .
Структура G-белка, состоящего из трёх типов единиц (гетеротримерного) - αt/αi (голубые), β (красная) и γ (зелёная)
Метаботропные рецепторы связаны с системами внутриклеточных посредников. Изменения их конформации при связывании с лигандом приводит к запуску каскада биохимических реакций, и, в конечном счете, изменению функционального состояния клетки. Основные типы мембранных рецепторов:
Рецепторы, связанные с G-белками, представляют собой трансмембранные белки, имеющие 7 трансмембранных доменов, внеклеточный N-конец и внутриклеточный C-конец. Сайт связывания с лигандом находится на внеклеточных петлях, домен связывания с G-белком - вблизи C-конца в цитоплазме.
Активация рецептора приводит к тому, что его α-субъединица диссоциирует от βγ-субъединичного комплекса и таким образом активируется. После этого она либо активирует, либо наоборот инактивирует фермент , продуцирующий вторичные посредники.
Рецепторы с тирозинкиназной активностью фосфорилируют последующие внутриклеточные белки, часто тоже являющиеся протеинкиназами, и таким образом передают сигнал внутрь клетки. По структуре это - трансмембранные белки с одним мембранным доменом. Как правило, гомодимеры, субъединицы которых связаны дисульфидными мостиками .
Внутриклеточные рецепторы - как правило, факторы транскрипции (например, рецепторы глюкокортикоидов) или белки, взаимодействующие с факторами транскрипции. Большинство внутриклеточных рецепторов связываются с лигандами в цитоплазме, переходят в активное состояние, транспортируются вместе с лигандом в ядро клетки, там связываются с ДНК и либо индуцируют, либо подавляют экспрессию некоторого гена или группы генов.
Особым механизмом действия обладает оксид азота (NO). Проникая через мембрану, этот гормон связывается с растворимой (цитозольной) гуанилатциклазой, которая одновременно является и рецептором оксида азота, и ферментом, который синтезирует вторичный посредник - цГМФ.
Центральной частью аденилатциклазной системы является фермент аденилатциклаза , который катализирует превращение АТФ в цАМФ . Этот фермент может либо стимулироваться G s -белком (от английского stimulating), либо подавляться G i -белком (от английского inhibiting). цАМФ после этого связывается с цАМФ-зависимой протеинкиназой, называемой так же протеинкиназа А , PKA. Это приводит к её активации и последующему фосфорилированию белков-эффекторов, выполняющих какую-то физиологическую роль в клетке.
G q -белки активируют фермент фосфолипазу С , которая расщепляет PIP2 (мембранный фосфоинозитол) на две молекулы: инозитол-3-фосфат (IP3) и диацилглицерид . Каждая из этих молекул является вторичным посредником. IP3 далее связывается со своими рецепторами на мембране эндоплазматического ретикулума , что приводит к освобождению кальция в цитоплазму и запуску многих клеточных реакций.
Центральной молекулой данной системы является гуанилатциклаза , которая катализирует превращение ГТФ в цГМФ . цГМФ модулирует активность ряда ферментов и ионных каналов. Существует несколько изоформ гуанилатциклазы. Одна из них активируется оксидом азота NO, другая непосредственно связана с рецептором предсердного натриуретического фактора .
цГМФ контролирует обмен воды и ионный транспорт в почках и кишечнике, а в сердечной мышце служит сигналом релаксации.
Как правило, рецепторы способны связываться не только с основными эндогенными лигандами, но и с другими структурно сходными молекулами. Этот факт позволяет использовать экзогенные вещества, связывающиеся с рецепторами и меняющие их состояние, в качестве лекарств или ядов.
Клетки. Связывание с сигнальной молекулой (гормоном или медиатором) происходит с одной стороны от мембраны, а клеточный ответ формируется на другой стороне от мембраны. Таким образом, они играют уникальную и важную роль в межклеточных связях и передаче сигнала.
Многие трансмембранные рецепторы состоят из двух или нескольких субъединиц, которые действуют в совокупности и могут диссоциировать при связывании с лигандом или менять свою конформацию и переходить на следующую стадию цикла активации. Зачастую они классифицируются на основе их молекулярной структуры. Полипептидные цепи простейших из этих рецепторов пересекают липидный бислой лишь один раз, между тем как многие - семь раз (например,
Внеклеточный домен - это участок рецептора, который находится вне клетки или органоида. Если полипептидная цепь рецептора пересекает клетку несколько раз, то внешний домен может состоять из нескольких петель. Основная функция рецептора состоит в том, чтобы опознавать гормон (хотя некоторые рецепторы также способны реагировать на изменение мембранного потенциала), и во многих случаях гормон связывается именно с этим доменом.
Некоторые рецепторы являются также и белковыми каналами. Трансмембранный домен в основном состоит из трансмембранных α-спиралей. В некоторых рецепторах, таких как никотиновый ацетилхолиновый рецептор, трансмембранный домен формирует мембранную пору или ионный канал. После активации внеклеточного домена (связывания с гормоном) канал может пропускать ионы . У других рецепторов после связывания гормона трансмембранный домен меняет свою конформацию, что оказывает внутриклеточное воздействие.
Внутриклеточный, или цитоплазматический, домен взаимодействует с внутренней частью клетки или органоида, ретранслируя полученный сигнал. Существуют два принципиально разных пути такого взаимодействия:
Классифицируют ионотропные и метаботропные трансмембранные рецепторы. Примером рецептора второго типа являются
В клетке существует несколько путей регуляции активности трансмембранных рецепторов, наиболее важными способами являются фосфорилирование и интернализация рецепторов.
Wikimedia Foundation . 2010 .
У этого термина существуют и другие значения, см. Белки (значения). Белки (протеины, полипептиды) высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку пептидной связью альфа аминокислот. В живых организмах… … Википедия
Кристаллы различных белков, выращенные на космической станции «Мир» и во время полётов шаттлов НАСА. Высокоочищенные белки при низкой температуре образуют кристаллы, которые используют для получения модели данного белка. Белки (протеины,… … Википедия
I Медицина Медицина система научных знаний и практической деятельности, целями которой являются укрепление и сохранение здоровья, продление жизни людей, предупреждение и лечение болезней человека. Для выполнения этих задач М. изучает строение и… … Медицинская энциклопедия
I Клетка (cytus) основная структурно функциональная единица, определяющая строение, жизнедеятельность, развитие и размножение животных и растительных организмов за исключением вирусов; элементарная живая система, способная к обмену веществ с… … Медицинская энциклопедия
Обозначения … Википедия
ЭНЦЕФАЛОМЕТРИЯ - (от греч. encephalon мозг и metron мера), измерения мозга. Мак роэнцефалометрия измерение расстояний между различными определенными точками на поверхности мозга, измерения ширины коры на срезах, измерения площади поверхности всей коры,… … Большая медицинская энциклопедия
