Основные системы внутриклеточной передачи гормонального сигнала

Биологические мембраны образуют протяженные бислойные структуры малой толщины (6 - 10 нм), объединяющие белковые и липидные компоненты с различными свойствами. Целостная структура мембраны создается за счет гидрофобных и электростатических взаимодействий. Мембраны асимметричны по своему исходному строению, что обеспечивает градиент кривизны и спонтанное образование замкнутых структур.

Наружные мембраны клеток отличаются от внутренних по липидному составу и обладают специфическим набором ферментов и рецепторов. Как правило, белки плазматических мембран со стороны внеклеточной среды обильно гликозилированы. Внутриклеточные мембраны содержат мало гликопротеинов и гликолипидов и характеризуются меньшей микровязкостью. Поэтому они могут образовывать органеллы малого размера.

Белковый состав разных мембран различен. Например, плазматическая мембрана клеток печени содержит сотни разных белков, а мембраны наружных сегментов палочек сетчатки глаза — лишь несколько белков, в основном родопсин (зрительный пурпур). Белки мембран выполняют разные функции: структурные белки, ферменты, белки, осуществляющие трансмембранный перенос веществ, рецепторы гормонов или других сигнальных молекул.

Мембранные липиды могут находиться в нескольких фазовых состояниях.Два основных состояния - кристаллическое и жидкокристаллическое. Они различаются плотностью упаковки и подвижностью находящихся в бислое белковых молекул. Значение температуры, при котором наблюдается фазовый переход, называется критической температурой фазового перехода, или разделения фаз. Обычно критическая температура фазовых переходов приближена к температуре тела гомойотермных животных.Ионы Са²⁺, изменение числа ненасыщенных жирнокислотных цепей и некоторые другие факторы также могут индуцировать фазовые переходы в бислое. Сложность, многообразие и изменчивость липидного состава мембран позволяет предположить, что они участвуют также в регуляции важнейших мембранных процессов. Доказано влияние липидного состава мембраны на структуру и функциональную активность порообразующих белков.

Клеточные мембраны создают существенные ограничения для перемещения веществ, причем основным препятствием является гидрофобная зона мембраны. Однако мембраны не являются наглухо закрытыми перегородками. Одна из главных функций мембран — регуляция переноса веществ. Например, плазматическая мембрана должна впустить в клетку и удержать вещества, которые нужны клетке, и освободиться от ненужных. Через мембраны клетки в одно и го же время в обоих направлениях проходят сотни разных веществ.

Клеточные мембраны благодаря наличию специальных рецепторов воспринимают сигналы из внешней среды (например, молекулы гормонов, называемые первичными мессенджерами, или посредниками). Первое звено действия гормона на клетку-мишень - его присоединение к рецептору данного гормона - интегральному белку мембраны, имеющему на наружной поверхности мембраны центр связывания гормона; далее сигнал передается внутрь клетки при участии других специальных белков мембраны, а также белков цитозоля (вторичных мессенжеров). По своей химической природе рецепторы почти всех биологически активных веществ оказались гликопротеинами. Общим свойством всех рецепторов является их высокая специфичность по отношению к одному определенному гормону.

Наиболее изученным является аденилатциклазный путь передачи гормонального сигнала.

Аденилатциклазная мессенджерная система (слайд 26).

В ней задействованы: 1) рецептор гормона; 2) фермент аденилатциклаза; 3) G-белок; 4) цАМФ-зависимая протеинкиназа; 5) фосфодиэстераза.

Гидрофильные молекулы (адреналин), молекулы белковых гормонов не могут проникать через мембрану клетки. Их рецепторы расположены на мембране. Связывание гормона (первичного мессенджера) с рецептором приводит к структурным изменениям внутриклеточного домена рецептора, что обеспечивает взаимодействие рецептора с ГТФ-связывающим белком (G-белком). G-белок представляет собой смесь 2 типов белков: активного G_s(от англ. stimulatory) и ингибиторного G_i. В составе каждого из них имеется три разные субъединицы (α, β и γ). Функция G-белка - проведение гормонального сигнала на уровне плазматической мембраны. Гормонрецепторный комплекс переводит G_s-белок в активированное состояние, активный G-белок активирует аденилатциклазу. В отсутствие G-белка аденилатциклаза практически неактивна.

Аденилатциклаза представляет собой интегральный белок плазматических мембран, его активный центр ориентирован в сторону цитоплазмы. Аденилатциклаза катализирует реакцию синтеза из АТФ цАМФ (вторичного мессенджера), который запускает каскадный механизм активирования внутриклеточных белков (слайд 27).

Под действием цАМФ неактивная протеинкиназа переходит в активную форму. Этот фермент катализирует фосфорилирование внутриклеточных ферментов или белков-мишеней, соответственно изменяя их активность. Процесс фосфорилирования-дефосфорилирования белков при участии протеинкиназ является общим фундаментальным механизмом действия «вторичных» мессенджеров внутри клетки. Это т.н. посттрансляционная химическая модификация белковых молекул, изменяющая как их структуру, так и функции, в конечном итоге определяющая скорость химических реакций и в целом функциональную активность клеток.

В клетках открыт большой класс цАМФ-зависимых протеинкиназ, названных протеинкиназами А; они катализируют перенос фосфатной группы на ОН-группы серина и треонина (серин-треонин-киназы). Другой класс протеинкиназ, в частности активируемый инсулиновым рецептором, действует только на ОН-группу тирозина

Фосфодиэстераза вызывает распад цАМФ и тем самым прекращает действие сигнала.

Инозитолфосфатная система (слайд 28) включает 3 основных мембранных белка: рецептор гормона, фосфолипаза С, белок G_plc, активирующий фосфолипазу.

Связывание гормона с рецептором приводит к изменению его конформации и увеличению сродства с белком G_plc. Он представляет собой триммер, состоящий из субъединиц α, β и γ. При участии ГТФ комплекс «гормон - рецептор – G-белок» диссоциирует с освобождением a-субъединицы. Она взаимодействует с фосфолипазой С и активирует ее. Субстрат этого фермента - фосфатидилинозитол 4,5 бисфосфат (ФИФ). В инозитолфосфатной системе в роли вторичных мессенджеров участвуют инозитол 1,4,5 трисфосфат (ИФ-3), диацилглицерин (ДАГ) и ионы Са²⁺. ИФ-3 выходит в цитозоль. ДАГ остается в мембране и участвует в активации фермента протеинкиназы С. ИФ-3 связывается с кальциевым каналом мембраны ЭПР, канал открывается, и ионы Са²⁺ поступают в цитозоль. Увеличивается скорость взаимодействия ионов Са²⁺ с неактивной протеинкиназой С и белком кальмодулином.

На внутренней стороне мебраны образуется комплекс «протеинкиназа С - Са²⁺ - ДАГ – фосфолипаза С». Происходит активирование протеинкиназы С, которая фосфорилирует ферменты по остаткам серина и треонина и меняет их активность.

Кальмодулин имеет 4 центра для связывания Са²⁺. Взаимодействие комплекса «кальмодулин - Са²⁺» с ферментами приводит к их активации.

Аденилагциклазная и инозитолфосфатная системы регулируют большое количество разных клеточных процессов.