Другое

Внутриклеточные рецепторы гормонов. Механизмы вторичных посредников

Эффекты, осуществляемые через ц АМФ.

1. через цАМФ гипоталамические либерины (рилизинг-факторы) действуют на секреторный ответ аденогипофиза: АКТГ, ФСГ, ТТГ

2. через цАМФ увеличивается проницаемость для воды в собирательных трубочках под действием АДГ.

3. через цАМФ происходит мобилизация и депонирование жиров, распад гликогена, изменяется функционирование ионных каналов в постсинаптических мембранах. цГМФ - присутствует в клетках в меньшем количестве. цГМФ образуется аналогично см. предыдущий каскад. ГЦ - гуанилатциклаза.

цГМФ вызывает эффекты противоположные цАМФ. Например, в сердечной мышце адреналин стимулирует образование цАМФ, ацетилхолин - цГМФ, т.е. оказывают противоположные действия. Адреналин увеличивает силу и частоту сердечных сокращений. Активность цГМФ зависит от присутствия ионов Са. Через цГМФ действует Na-уретический пептид. Также оксид азота NO, который находится в эндотелии капилляров и способен релаксировать (расслаблять их через цГМФ)

Действие Са как второго посредника связано с повышением концентрации Са 2+ цитоплазме. Концентрация Са может увеличиваться двумя способами:

1. из внутриклеточных депо, например, саркоплазматический ретикулум

2. поступление Са внутрь через управляемые мембранные каналы.

Из внутриклеточных депо Са может высвобождаться под действием инозитол-3-фосфата и в ответ на деполяризацию мембраны, т.е. электрическим стимулом кратковременно открываются кальциевые потенциалзависимые каналы. В некоторых тканях, например, в сердечной мышце число каналов изменяется в результате фосфорилирования белков мембранных каналов цАМФ - зависимой протеинкиназой. Кальциевые каналы активируются химическим способом. Пример, в печени и в слюнных железах приток Са наблюдается при активации а-адренергических рецепторов адреналина. Большая часть Са связывается с белками, небольшая часть находится в ионизированной форме. В клетке существуют специфические белки, такие как кальмодулин или гуанилатциклаза. Они обладают особенностями:

1. у них есть специфические участки связывания с ионами Са, обладающие высоким сродством к Са (даже при низких концентрациях Са)

2. при взаимодействии с Са 2+ они меняют свою конформацию, могут активироваться и вызывать различные аллостерические эффекты.

Каскад - это цепь биохимических реакций, приводящих к усилению первоначального сигнала.

Специфические кальциевые каналы плазматической мембраны или ЭПР активируются различными стимулами. В результате ионы Са 1+ -> внутрь по градиенту -> [Са] увеличивается до 10- 10 моль. Повышение Са активирует несколько путей внутриклеточной регуляции:

1. Са взаимодействует с кальмодулином, затем происходит активация Са - кальмодулинзависимой протеинкиназы. Она переводит белки из неактивного в активное состояние, что приводит к различным клеточным ответам. Пример: в гладких мышечных волокнах может фосфорилировать легкие цепи головки миозина, в результате чего она присоединяется к актину, возникает сокращение.

2. Са может активировать мембранную гуанилатциклазу и способствовать выработке второго посредника цГМФ

3. ионы Са могут активировать С-киназу, тропонин С в поперечно-полосатых мышцах и другие Са-зависимые белки (глицерол - 3 - фосфатДГ)(гликолиз), пируваткиназа (гликолиз); пируваткарбоксилаза (глюконеогенез)

Мембранные липиды в роли вторичных посредников. Общие черты с предыдущими:

1. присутствует G-белок;

2. присутствует фермент, усиливающий сигнал.

Особенность : фосфолипидный компонент мембраны сам служит фосфорилированным предшественником для образования молекул-посредников. Этот предшественник находится в основном на внутренней половине билипидного слоя и называется фосфатидилинозитол-4,5-бифосфат.

Гормон взаимодействует с рецептором, образовавшийся ГР-комплекс, влияет на G-белок, способствуя его связыванию с ГТФ. G-белок активируется и может активировать фосфолипазу, катализирующую гидролиз фосфатидилинозитол-4,5-бифосфат на вторых посредника: диацилглицерол (ДАТ) и инозитол-3-фосфат.

Диацилглицерол-гидрофобный , может перемещаться путем латеральной диффузии и активировать мембранносвязанную С-киназу, для этого рядом должен находиться фосфатидилсерин. С-киназа способна фосфорилировать белки, переводя их из неактивного в активное состояние. ИФЗ растворим в воде -> цитоплазма, здесь он стимулирует высвобождение Са из внутриклеточных депо, т. е. ИФЗ высвобождает третьего посредника ионов Са.

См. Са - как второй посредник. Ионы Са активируют С-киназу, способствуя ее связыванию с мембраной.

Вне связывания с мембраной она неактивна.

Эффекты действия:

АКТГ в коре надпочечников через ИФЗ,

Ангиотензин II

ЛГ в яичниках и клетках Лейдига.

I. Проникновение стероида (С) в клетку

II. Образование комплекса СР

Все Р стероидных гормонов представляют собой глобулярные белки примерно одинакового размера, с очень высоким сродством связывающие гормоны

III. Трансформация СР в форму, способную связываться ядерными акцепторами [СР]

Любая клетка содержит всю генетическую информацию. Однако при специализации клетки большая часть ДНК лишается возможности быть матрицей для синтеза иРНК. Это достигается путем сворачивания вокруг белков гистонов, что ведет к препятствию транскрипции. В связи с этим генетический материал клетки можно разделить на ДНК 3-х видов:

1.транскрипционно неактивная

2.постоянно экспрессируемая

3.индуцируемая гормонами или другими сигнальными молекулами.

IV. Связывание [СР] с хроматиновым акцептором

Следует отметить, что этот этап действия С полностью не изучен и имеет ряд спорных моментов. Считается что [СР] взаимодействует со специфическими участками ДНК так, что это дает возможность РНК-полимеразе вступить в контакт к определенным доменам ДНК.

Интересным является опыт, который показал, что период полужизни иРНК при стимуляции гормоном увеличивается. Это приводит к многим противоречиям: становится непонятно ¾ увеличение количества иРНК свидетельствует, о том что [СР] повышает скорость транскрипции или увеличивает период полужизни иРНК; в то же время увеличение полужизни иРНК объясняется наличием большого числа рибосом в гормон-стимулированной клетке, которые стабилизируют иРНК или другим действием [СР] неизвестным для нас на сегодняшний момент.

V. Избирательная инициация транскрипции специфических иРНК; координированный синтез тРНК и рРНК

Можно полагать, что основной эффект [СР] состоит в разрыхлении конденсированного хроматина, что ведет к открыванию доступа к нему молекул РНК-полимеразы. Повышение количества иРНК приводит к увеличению синтеза тРНК и рРНК.

VI. Процессинг первичных РНК

VII. Транспорт мРНК в цитоплазму

VIII. Синтез белка

IX. Посттрансляционная модификация белка

Однако, как показывают исследования, это основной, но не единственно возможный механизм действия гормонов. Например, андрогены и эстрогены вызывают увеличение в некоторых клетках цАМФ что дает возможность предположить, что для стероидных гормонов имеются также мембранные рецепторы. Это показывают что стероидные гормоны действуют на некоторые чувствительные клетки как водорастворимые гормоны.

Вторичные посредники

Пептидные гормоны, амины и нейромедиаторы в отличие от стероидов ¾ гидрофильные соединения и не способны легко проникать через плазматическую мембрану клетки. Поэтому они взаимодействуют с расположенными на поверхности клетки мембранными рецепторами. Гормон-рецепторное взаимодействие иницирует высококоординированную биологическую реакцию, в которой могут участвовать многие клеточные компоненты, причем некоторые из них расположены на значительном расстоянии от плазматической мембраны.

цАМФ ¾ первое соединение, которое открывший его Сазерленд назвал «вторым посредником», потому что «первым посредником» он считал сам гормон, вызывающий внутриклеточный синтез «второго посредника», который опосредует биологический эффект первого.

На сегодняшний день можно назвать не менее 3 типов вторичных посредников: 1)циклические нуклеотиды (цАМФ и цГМФ); 2)ионы Ca и 3)метаболиты фосфатидилинозитола.

С помощью таких систем небольшое число молекул гормона, связываясь с рецепторами, вызывает продукцию гораздо большего числа молекул второго посредника, а последние в свою очередь влияют на активность еще большего числа белковых молекул. Таким образом, происходит прогрессивная амплификация сигнала, исхдно возникающего при связывании гормона с рецептором.

ЦАМФ

Упрощенно действие гормона через цАМФ можно представить так:

1. гормон + стереоспецифический рецептор

2. активация аденилатциклазы

3. образование цАМФ

4. обеспечение цАМФ координированной реакции

Гормон Внешняя среда

Рецептор Мембрана

5’-цАМФ 3’,5’-цАМФ АТФ

Неактивная протеинкиназа

Фосфодиэстераза

Активная протеинкиназа

Дефосфопротеин Фосфопротеин

Фосфопротеинфосфатаза

Биологический эффект

Рис 1

1.Следует отметить, что рецепторы тоже являются динамическими структурами. Это означает, что их количество может или снижаться или повышаться. Например у людей с увеличенной массой тела уменьшается количество рецепторов инсулина. Опыты показали, что при нормализации их массы замечается увеличение количества рецепторов до нормального уровня. Иными словами, при повышении или снижении концентрации инсулина имеют место реципрокные изменения концентрации рецепторов. Считается, что это явление может защитить клетку от слишком интенсивной стимуляции при неадекватно высоком уровне гормона.

2.Активация аденилатциклазы (А) тоже является регулируемым процессом. Ранее считалось, что гормон (Г), связываясь с рецептором (Р), изменяет его конформацию, что приводит к активированию А. Однако оказалось, что А, является аллостерическим ферментом, который активируется под действием ГТФ. ГТФ переносит специальный белок (трансдуктор) G. В связи с этим была принята модель, описывающая не только активацию А, но и терминацию этого процесса

а) Г + Р + G·ГДФ ® Г·Р·G + ГДФ

б) Г·Р·G + ГТФ ® Г + Р + G·ГТФ

в) G·ГТФ + А ® цАМФ + G·ГДФ

Таким образом, «выключающим» систему сигналом служит гидролиз ГТФ. Для возобновления цикла ГДФ должен отсоединиться от G, что происходит при связывании гормона с Р.

Некоторые факторы оказывают ингибирующее действие на А и вызывают снижение концентрации цАМФ. Примерами агонистов стимулирующих циклазу, могут служить глюкагон, АДГ, ЛГ, ФСГ, ТТГ и АКТГ. К факторам ингибирующим циклазу, относятся опиоиды, соматостатин, ангиотензин II и ацетилхолин. Адреналин может как стимулировать (через b-рецепторы), так и ингибировать (через a-рецепторы) данный фермент. Возникает вопрос каким же образом осуществляется двунаправленная регуляция А. Оказалось, что ингибирующая система включает в себя трехмерный белок, чрезвычайно похожий на приведенный выше G-белок. Эффект Gи может быть описан следующим образом:

а) Г + Р + Gи·ГДФ ® Г·Р· Gи + ГДФ

б) Г·Р·Gи + ГТФ ® Г + Р + Gи·ГТФ

в) Gи·ГТФ + А ® ¯цАМФ + Gи·ГДФ

После фосфорилирования белков-ферментов в ходе выше описанных реакций (см. рис 1) изменяется их конформация. Следовательно изменяется и конформация их активного центра, что ведет к их активированию или ингибированию. Получается, что благодаря вторичному посреднику цАМФ в клетке активируются или ингибируется действие специфичных для нее ферментов, что вызывает определенный биологический эффект свойственный для этой клетки. В связи с этим несмотря на большое количество ферментов, которые действуют через вторичный посредник цАМФ, в клетке возникает определенный, специфический ответ.

Рис. 3. Схема стимулирования распада гликогена повышением уровня цАМФ

Цитоскелет сигнализирует

Регулируемая цАМФ каскадная схема взаимодействий ферментов кажется непростой, а в действительности устроена еще более сложно. В частности, связавшиеся с первичными мессенджерами рецепторы оказывают влияние на активность аденилатциклазы не непосредственно, а через так называемые G-белки (рис. 4), работающие под контролем гуанинтрифосфорной кислоты (ГТФ).

А что происходит, когда почему-либо нарушается нормальная связь событий? Примером может быть заболевание холерой. Токсин холерного вибриона оказывает воздействие на уровень ГТФ и влияет на активность G-белков. В результате уровень цАМФ в клетках кишечника больных холерой оказывается постоянно высоким, что вызывает переход больших количеств ионов натрия и воды из клеток в просвет кишечника. Следствие этого – изнуряющие поносы и потеря воды организмом.

В норме под воздействием фермента фосфодиэстеразы цАМФ в клетке быстро инактивируется, превращаясь в нециклический аденозинмонофосфат АМФ. Течение другого заболевания – коклюша, вызываемого бактериями Bordetella pertussis, сопровождается образованием токсина, который тормозит превращение цАМФ в АМФ. Отсюда возникают и неприятные симптомы болезни – покраснение горла и доходящий до рвоты кашель.

На активность фосфодиэстеразы, превращающей цАМФ в АМФ, влияют, например, кофеин и теофиллин, что обуславливает стимулирующее действие кофе и чая.

Многообразие эффектов цАМФ и способов регуляции его концентрации в клетках делает его универсальным вторичным мессенджером, играющим ключевую роль в активации различных протеинкиназ.

В разных клетках цАМФ может приводить к совершенно различным эффектам. Это соединение не только принимает участие в распаде гликогена и жиров, но также увеличивает частоту сердечных сокращений, влияет на расслабление мускулатуры, контролирует интенсивность секреции и скорость поглощения жидкостей. Оно является вторичным мессенджером для целого спектра различных гормонов: адреналина, вазопрессина, глюкагона, серотонина, простогландина, тироид-стимулирующего гормона; цАМФ работает в клетках скелетной мускулатуры, сердечной мышцы, в гладких мышцах, почках, печени, в тромбоцитах.

Резонно возникает вопрос: почему же различные клетки реагируют на цАМФ по разному? Можно сформулировать его и иначе: почему при повышении концентрации цАМФ в разных клетках активируются различные протеинкиназы, которые фосфорилируют разные белки? Эту ситуацию можно проиллюстрировать с помощью такой аналогии. Представьте себе, что к двери офиса постоянно подходят различные визитеры – лиганды и первичные мессенджеры. При этом они звонят в один-единственный звонок: раздается сигнал – вторичный мессенджер. Как при этом служащим заведения определить, кто именно пожаловал с визитом и как надо реагировать на данного посетителя?

Загадка ионов кальция

Рассмотрим сначала, что происходит со вторым чрезвычайно распространенным вторичным мессенджером – кальцием, вернее его ионами. Впервые их ключевая роль в ряде биологических реакций была показана еще в 1883 г. когда Сидней Рингер заметил, что изолированные мышцы лягушки не сокращаются в дистиллированной воде. Чтобы в ответ на электрическую стимуляцию мышца сократилась, ей необходимо присутствие в окружающей ее среде ионов кальция.

Теперь последовательность основных событий, происходящих при сокращении скелетной мускулатуры, хорошо известна (рис. 5). В ответ на электрический импульс, который доходит до мышцы по аксону нервной клетки, внутри мышечной клетки – миофибриллы – открываются резервуары ионов кальция – мембранные цистерны, в которых концентрация ионов кальция может быть выше, чем в цитоплазме, в тысячу и более раз (рис. 6). Высвободившийся кальций соединяется с белком тропонином С, который связан с выстилающими внутреннюю поверхность клетки актиновыми филаментами. Тропонин (рис. 7) играет роль блокатора, препятствующего скольжению миозиновых нитей по актиновым филаментам. В результате присоединения кальция к тропонину блок отсоединяется от нити, миозин скользит по актину, и мышца сокращается (рис. 8). Как только акт сокращения заканчивается, специальные белки – кальциевые АТФазы – закачивают ионы кальция обратно во внутриклеточные резервуары.

На концентрацию внутриклеточного кальция оказывают влияние не только нервные импульсы, но и другие сигналы. Например, это может быть уже знакомый нам цАМФ. В ответ на появление адреналина в крови и соответствующее повышение концентрации цАМФ в клетках сердечной мышцы в них высвобождаются ионы кальция, что приводит к учащению сердцебиения.

Вещества, оказывающие влияние на кальций, могут содержаться также непосредственно в клеточной мембране. Как известно, мембрана состоит из фосфолипидов, среди которых один – фосфоинозитол-4, 5-дифосфат – играет особую роль. Помимо инозита молекула фосфоинозитол-4, 5-дифосфата содержит две длинные углеводородные цепи, состоящие из 20 и 17 атомов углерода (рис. 9). Под воздействием определенных внеклеточных сигналов и под контролем уже знакомых читателям G-белков они отсоединяются, в результате чего образуются две молекулы – диацилглицерин и инозитолтрифосфат. Последний участвует в высвобождении внутриклеточного кальция (рис. 10). Такого рода сигнализация используется, например, в оплодотворенной икре шпорцевой лягушки.

Проникновение первого же из множества спермиев в готовую для оплодотворения икринку вызывает образование в ее мембране инозитолтрифосфата. В результате ионы кальция высвобождаются из внутренних резервуаров и оболочка оплодотворенной яйцеклетки мгновенно разбухает, отсекая путь внутрь яйцеклетки менее удачливым или менее расторопным сперматозоидам.

Как же такое простое вещество, как ион кальция, может регулировать активность белков? Выяснилось, что он связывается внутри клетки со специальным белком кальмодулином (рис. 11). Этот достаточно крупный белок, состоящий из 148 аминокислотных остатков, как и цАМФ, обнаружен практически во всех изученных клетках.

Вопросы для подготовки к занятию:

1. Гормональная регуляция как механизм межклеточной и межорганной координации обмена веществ. Основные механизмы регуляции метаболизма: изменение активности ферментов в клетке, изменение количества ферментов в клетке (индукция или репрессия синтеза), изменение проницаемости клеточных мембран.

2. Гормоны, общая характеристика, классификация гормонов по химическому строению и биологическим функциям. Механизм действия гормонов белковой природы.

3. Механизм действия гормонов стероидной природы и тироксина.

4. Гормоны гипоталамуса. Люлиберин, соматостатин, тиролиберин.

5. Гормоны гипофиза. Гормоны задней доли гипофиза: вазопрессин, окситоцин.

6. Строение синтез и метаболизм йодтиронинов.

7. Влияние йодтиронинов на обмен веществ. Гипо- и гипертиреозы.

8. Гормоны мозгового слоя надпочечников. Строение, влияние на обмен веществ. Биосинтез катехоламинов.

9. Гормон роста, строение, функции.

10. Гормоны околощитовидных желез. Регуляция фосфорно-кальциевого обмена.

11. Инсулин. Глюкагон. Влияние на обмен веществ.

12. Гормональная картина инсулинзависимого сахарного диабета

13. Гормональная картина инсулиннезависимого сахарного диабета

14. Стероидные гормоны. Глюкокортикоиды.

15. Половые гормоны.

16. Ренин-ангиотензиновая система.

17. Калликреин-кининовая система.

Выполните задания:

1. Либерины:

А. Небольшие пептиды

Б. Взаимодействуют с цитоплазматическими рецепторами.

В. Активируют секрецию тропных гормонов.

Г. Передают сигнал на рецепторы передней доли гипофиза.

Д. Вызывают секрецию инсулина.

2. Выберите неправильное утверждение. цАМФ:

А. Участвует в мобилизации гликогена.

Б. Второй вестник сигнала.

В. Активатор протеинкиназы.

Г. Кофермент аденилатциклазы.

Д. Субстрат фосфодиэстеразы.

3. Расположите события, происходящие при синтезе йодтиронинов, в необходимом порядке, используя цифровые обозначения:

А. Йодирование остатков тирозина в тироглобулине.

Б. Синтез тироглобулина.

В. Конденсация йодированных остатков тирозина.

Г. Транспорт йодтиронинов в клетки-мишени.

Д. Образование комплекса с тироксинсвязывающим белком.

4. Расположите перечисленные метаболиты в порядке их образования:

А. 17-ОН-прогестерон.

Б. Прегненолон.

В. Холестерин.

Г. Прогестерон

Д. Кортизол.

5. Выберите гормон, синтез и секреция которого возрастает в ответ на повышение осмотического давления:

А. Альдостерон.

Б. Кортизол.

В. Вазопрессин.

Г. Адреналин.

Д. Глюкагон.

6. Под влиянием инсулина в печени ускоряются:

А. Биосинтез белков

Б. Биосинтез гликогена.

В. Глюконеогенез.

Г. Биосинтез жирных кислот.

Д. Гликолиз.

7. Для трехдневного голодания верно все ниже перечисленное, кроме:

А. Инсулин-глюкагоновый индекс снижен.

Б. Скорость глюконеогенеза из аминокислот увеличивается.

В. Скорость синтеза ТАГ в печени снижается.

Г. Скорость b-окисления в печени снижается.

Д. Концентрация кетоновых тел в крови выше нормы.

8. При сахарном диабете в печени происходит:

А. Ускорение синтеза гликогена.

Б. Снижение скорости глюконеогенеза из лактата.

В. Снижение скорости мобилизации гликогена.

Г. Повышение скорости синтеза ацетоацетата.

Д. Повышение активности ацетил-КоА-карбоксилазы.

9. При ИНСД у больных наиболее часто обнаруживаются:

А. Гиперглюкоземия.

Б. Снижение скорости синтеза инсулина.

В. Концентрация инсулина в крови в норме или выше нормы.

Г. Антитела к b-клеткам поджелудочной железы.

Д. Микроангиопатии.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14

Тема: Построение и анализ гликемических кривых

Цель: Изучить промежуточный обмен углеводов, роль углеводов в энергетическом обмене. Клинико-диагностическое значение метода сахарной нагрузки при сахарном диабете, аддисоновой болезни, гипофункции щитовидной железы и т.д.

Принцип метода : Определение глюкозы основано на реакции, катализируемой глюкозооксидазой:

глюкоза + О 2 глюконолактон + Н 2 О 2

Образующаяся в ходе данной реакции перекись водорода вызывает окисление субстратов пероксидазы с образованием окрашенного продукта.

Метод сахарной нагрузки : Утром натощак у больного берут кровь из пальца и определяют концентрацию глюкозы крови. После этого дают выпить 50 - 100 г глюкозы в 200 мл теплой кипяченой воды (1 г глюкозы на 1 кг веса) в течение не более 5 минут. Затем повторно исследуют содержание глюкозы в крови, беря из пальца кровь через каждые 30 минут в течение 2-3 часов. Строят график в координатах: время – концентрация глюкозы в сыворотке крови, по виду графика ставят или уточняют диагноз.

Ход работы: В образцах сыворотки (до и после приема глюкозы) определяют концентрацию глюкозы. Для этого в серию пробирок вносят 2 мл рабочего реактива (фосфатный буфер, субстраты пероксидазы + глюкозооксидазы в отношении 40:1). В одну из пробирок вносят 0,05 мл стандартного раствора глюкозы концентрации 10 ммоль/л. В другие - по 0,05 мл сыворотки крови, взятой по методу сахарной нагрузки. Растворы встряхивают и инкубируют при комнатной температуре 20 мин.

После инкубации измеряют оптическую плотность растворов на ФЭК при длине волны 490 нм. Кювета с длиной оптического пути, равной 5 мм. Раствор сравнения - рабочий реактив.

Расчет концентрации глюкозы:

С = 10 ммоль/л

где Е оп - оптическая плотность в образцах сыворотки;

Е ст - оптическая плотность стандартного раствора глюкозы

Результат анализа:

График: