Передача химического сигнала в клетку (signal trunsduction) • Передача химического сигнала в клетку происходит в том случае, когда внеклеточная сигнальная молекула активирует специфический рецептор, находящийся на поверхности или внутри клетки. • Рецептор запускает цепь событий внутри клетки, которые обеспечивают ответ клетки на сигнальную молекулу. • В зависимости от типа клетки, в понятие ответ входит изменение метаболизма клетки, ее формы, экспрессии генов и ее способности делиться. Обычно передача сигнала осуществляется в несколько этапов и на каждом этапе передачи сигнала он может быть усилен. Рецептор сигнальной молекулы • Рецептор – это белок, встроенный в наружную плазматическую мембрану или находящийся в цитозоле или ядре клетки. Он связывает сигнальную молекулу, получая таким образом сигнал из окружающей среды. • Рецептор - это молекула, которая воспринимает сигнал (связывание сигнальной молекулы) и инициирует начальный этап ответа клетки на этот сигнал. • Рецептор встроен в плазматическую мембрану клетки или находится в ее цитоплазме и/или ядре. Молекула, которая связывается с рецептором, называется лигандом, она может быть белком или пептидом, производным аминокислоты (адреналин, гистамин) или стероидом (кортизол, тестостерон), а также их аналогами (лекарство, токсин), вирусом или микробом. • Эндогенным лигандом является природное соединение (например, ацетилхолин). Кроме того, с рецептором могут связываться и экзогенные соединения (например, никотин и кураре), причем ацетилхолиновый рецептор активируется никотином, но блокируется кураре (соответственно агонист и антагонист рецептора). • Каждый рецептор инициирует цепь биохимических событий, приводящих к ответу клетки на связывание лиганда, а именно в зависимости от типа лиганда он активирует или ингибирует соответствующую цепь событий. Никотин Соединения, которые влияют на эффекты ацетилхолина Соединение Инсектициды и нервные газы Способ действия Токсический эффект Антагонисты Рвота, потливость, (необратимые инги- мышечный паралич биторы АХЭ) Никотин –ингре- Агонист рецептора Низкие дозы – улучдиент табака ацетилхолина шение настроения, высокие –дых. паралич Тубокурарин Антагонист АХ паралич произвольна уровне постси- ной мускулатуры наптического рецеп. Атропин Антагонист пострасслабление мышц синаптических антидот при отравлении рецепторов ингибиторами АХЭ Механизмы действия биологически активных соединений Основные типы передачи сигнала от мембранных рецепторов Регулируемые лигандами и потенциалом ионные каналы Открываются или закрываются в ответ на связывание сигнальной молекулы или изменение мембранного потенциала Ион Плазматическая мембрана GPCR Сигнальная молекула связывается с рецептором и активирует ГТФсвязывающий белок (G), который регулирует активность фермента (Enz), производящего вторичный мессенджер (X) Рецептор без ферментативной активности Сигнальная молекула связывается с рецептором, который взаимодействует с цитозольной протеинкиназой, которая активирует белки, регулирующие экспрессию генов (непосредственно или через каскад) Фермент-рецептор Сигнальная молекула связывается с внеклеточным доменом рецептора и стимулирует ферментативную активность внутриклеточного домена ДНК иРНК Мембрана ядра Белок Каскад киназ Рецепторы для стероидов Стероиды связываются с ядерным рецептором, который регулирует экспрессию генов ДНК иРНК Белок Адгезионные рецепторы Связывают молекулы внеклеточного матрикса, изменяют конформацию, что влияет на взаимодействие с цитоскелетом Свойства вторичных мессенджеров • • • • • Внутриклеточные вторичные мессенджеры имеют некоторые общие свойства: Они могут быть очень быстро синтезированы и выделены и быстро удалены или обезврежены при помощи специфических каталитических ферментов или ионных каналов; Некоторые из них, такие, как ионы кальция, могут храниться про запас в специализированных органеллах (гранулах или вакуолях) и быстро высвобождаться, при необходимости так же быстро связываться и транспортироваться. Их продукция и выделение, как и их удаление, уничтожение или обезвреживание, находится под жёстким контролем внутриклеточных систем обратной связи, не допускающих чрезмерного усиления или чрезмерной продолжительности поступающего извне сигнала и предотвращающих, в нормальных условиях, самоповреждение клетки в процессе обработки сигнала. Их продукция и выделение, как и их удаление, уничтожение или обезвреживание, может быть ограничено во времени и пространстве, что позволяет клетке локализовать в пространстве (в той или иной части клетки) и ограничить во времени процессы передачи сигнала. Вторичные мессенджеры и протеинкиназы, которые они активируют 1. цАМФ: цАМФ-зависимая протеинкиназа (РКА) 2. цГМФ: цГМФ-зависимая протеинкиназа (РKG) 3. Са2+: Са2+,фосфолипид-зависимая протеинкиназа, (PKC); Са,кальмодулин-зависимая протеинкиназа 4. Диацилглицерин: Са2+,фосфолипид-зависимая протеинкиназа 5. Инозитол -1,4,5-трисфосфат (Са2+-канал ЭР) 6. NO: гуанилатциклаза цГМФ-зависимая протеинкиназа Образование и распад цАМФ Действие фосфолипаз на молекулу фосфолипида Протеинкиназы (протеинфосфотрансферазы) Протеинкиназы – ферменты, осуществляющие перенос терминальной фосфорильной группы АТФ на остатки тирозина, серина или треонина определенных белков. АТФ Белок АДФ ОБелок –O – Р =О О- Фосфорилирование белков, является их ковалентной модификацией, которая часто приводит к изменению ферментативной активности белка. Существует несколько классов протеинкиназ, активность которых зависит от концентрации специфических регуляторов, являющихся вторичными мессенджерами (цАМФ – протеинкиназа А, цГМФ- протеинкиназа G, Са2+, диацилглицерид – протеинкиназа C, Са2+, кальмодулин зависимая протеинканаза). Существуют также протеинфосфатазы, которые удаляют фосфорильный oстаток с соответствующих белков. Рецепторы, сопряженные с G-белками (Gprotein coupled receptors,GPCR) • • • • • Это семейство интегральных мембранных белков с семью трансмембранными доменами. Примерами являются рецепторы для цитокинов и адренергические рецепторы. Передача сигнала через GPCR начинается с неактивного G белка, связанного с рецептором; он является гетеротримером, состоящим из белков G, Gβ и Gγ. После связывания лиганда конформация рецептора изменяется, что активирует G-белок, обеспечивая связывание ГТФ (GTP) с Gα и диссоциацию двух других субъединиц G-белка. После диссоциации открываются участки субъединиц, способные взаимодействовать с другими молекулами. Активированные субъединицы G белков открепляются от рецептора и инициировать распространение сигнала на расположенные ниже белкиэффекторы, такие как фосфолипазы и ионные каналы,что приводит к освобождению молекул вторичных мессенджеров. Усиление сигнала через GPCR определяется временем жизни комплексов сигнальная молекула-рецептор и рецептор-эффекторный белок, а также временем инактивации активированного рецептора и эффекторов. Точечные мутации в гене, кодирующем рецептор для хемокинов CXCR2, приводят к злокачественной трансформации мутантных клеток, что обусловлено экспрессией CXCR2 в активной конформации даже в отсутсвие хемокинов. Это свидетельствует о роли хемокиновых рецепторов в развитиии рака. Классификация гормонов по химической структуре 1. Амины, производные аминокислот адреналин тироксин Механизм действия сигнальных молекул , рецепторы которых находятся на клеточной мембране (GPCR для адреналина) 1. Адреналин переносится кровью и связывается с рецептором на поверхности мембраны. 2. Комплекс гормон-рецептор взаимодействует с G-белком, после чего G-белок связывает ГТФ. 3. Комплекс G-белок-ГТФ активирует аденилатциклазу. 4. Аденилатциклаза производит вторичный мессенджер – цАМФ. 5. ЦАМФ активирует фермент, который называется цАМФзависимая протеинкиназа. После связывания цАМФ он осуществляет фосфорилирование белков по остаткам серина и тирозина, что изменяет активность фосфорилированных белков-мишений. 6. Фосфодиэстераза катализирует гидролиз цАМФ до АМФ. Рецепторы, взаимодействующие с G-белками, которые регулируют активность ферментов, производящих вторичные мессенджеры Компоненты системы: 1. Рецептор с 7 трансмембранными сегментами 2. Трехсубъединичный ГТФ-связывающий белок (G-белок) 3. Аденилатциклаза – фермент, превращающий АТФ в цАМФ 4. Фосфодиэстераза, превращающая цАМФ в 5’-АМФ 5. цАМФ-зависимая протеинкиназа, фосфорилирующая белки Помимо аденилатциклазы G-белки могут взаимодействовать с другими белками, производящими вторичные мессенджеры, например, фосфолипазой С Характерные особенности клеточной сигнализации 1. Специфичность - определяется комплементарностью между сигнальной молекулой и рецептором 2. Способность к усилению сигнала - определяется: а) высоким сродством сигнальной молекулы к рецептору (Кд=10-10 и меньше, это связано с первым параметром), б) усилением за счет включения каскадов ферментов 3. Десенситизация – потеря чувствительности при постоянном воздействии сигнала до тех пор, пока сигнал не снизится ниже порогового уровня 4. Интеграция – способность клетки получать и объединять множество сигналов от разных гормонов и медиаторов Четыре основные особенности клеточных сигнальных систем Сигналы S1 и S2 Сигнал S2 S1 рецептор рецептор 1. Специфичность 3. Десенситизация ответ Сигнал 2. Усиление Фермент 2 Ф3 Фермент 1 Фермент 2 Фермент 2 ответ Сигнал 1 Сигнал 2 рецептор 1 рецептор 2 [х] или Vm [х] или Vm 4. Интеграция Ферменты-рецепторы (тирозиновые киназы) • • • • • • Рецепторные тирозиновые киназы (RTK) представляют собой трансмембранные белки с внутриклеточным киназным доменом и внеклеточным доменом, который связывает сигнальную молекулу; примерами являются рецепторы для ростовых факторов (например, для инсулина). Для передачи сигнала RTKs должен сформировать димер в плазматической мембране, этот димер стабилизируется за счет связывания с сигнальной молекулой. Взаимодействие между цитоплазматическими доменами рецептора стимулирует автофосфорилирование тирозиновых остатков в доменах RTKs, вызывая конформационные изменения. Затем активируются домены рецепторной киназы, инициируя фосфорилирование расположенных в цитоплазме участников сигнального каскада, что, в свою очередь,инициирует различные события, например, дифференциацию клеток или изменение метаболизма. В этих процессах важную роль играют мономерные ГТФ-связывающие белки, которые являются членами семейств Ras, Rho и Raf, связанные с мембраной через изопренильные остатки. Они действуют как молекулярные выключатели. При активации они направляются в специфические мембранные субдомены, где участвуют в процессе передачи сигнала. Активированные RTKs активируют G-белки, которые в свою очередь активируют фактор обмена гуаниновых нуклеотидов, например, SOS1. Эти активированные факторы могут активировать новые мономерные G-белки, усиливая сигнал, идущий от рецептора. Мутации в некоторых генах RTK могут приводить к экспрессии рецепторов, которые существуют постоянно в активированном состоянии; такие мутантные гены могут действовать как онкогены. • • • • • Факторы роста Факторы роста — это соединения, способные стимулировать рост, пролиферацию и/или дифференцировку живых клеток. Обычно это пептидные или стероидные гормоны. Факторы роста функционируют как сигнальные молекулы для взаимодействия между клетками. Примерами являются цитокины и гормоны, связываемые специфическими клеточными рецепторами. Итальянский нейробиолог Рита Леви-Монтальчини за открытие факторов роста, в частности, фактора роста нервов, получила вместе с Стэнли Коэном Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1986 года. Другими известными факторами роста являются эритропоэтин и инсулиноподобный фактор роста 1. Часто говоря о факторах роста имеют в виду цитокины. Однако термин цитокины ассоциирован в основном с формированием клеток крови и клеток иммунной системы (лимфоциты и клетки селезенки, тимуса и лимфатических узлов). Предполагалось, что кровеносной системе и костном мозге, где клетки находятся в виде жидкой суспензии, они с помощью цитокинов сообщаются друг с другом. Однако позднее стало ясно, что что некоторые из цитокинов используются и для коммуникации клеток почти во всех видах тканей. Ростовые факторы положительно влияют на деление клеток, термин цитокин является нейтральным по отношению к пролиферации. Некоторые из цитокинов являются ростовыми факторами (G-CSF b GM-CSF), другие оказывают ингибирующее действие на рост клеток и пролиферацию. Некоторые цитокины используются как сигнал программируемой клеточной смерти, апоптоза. Микродомены липидов и белков в плазматической мембране (RAFTS) Инсулин Инсулин – пептидный гормон, синтезируемый в В-клетках поджелудочной железы. Состоит из двух полипептидных цепей (А и В), соединеных дисульфидными связями (мол. масса 6000 Да). Механизм действия факторов роста (на примере инсулина) • Инсулиновый рецептор представляет собой интегральный белок плазматической мембраны, состоящий из 2 субъединиц (a и b), каждая из них образована двумя полипептидными цепочками. • Инсулин связывается и распознаётся а-субъединицей рецептора, которая при присоединении гормона изменяет свою конформацию. Это приводит к появлению тирозинкиназной активности у субъединицы b, что запускает разветвлённую цепь реакций по активации ферментов, которая начинается с аутофосфорилирования рецептора. • Кроме этого происходит проникновение комплекса инсулин!рецептор внутрь клетки и его частичное расщепление в регуляторной фагосоме и взаимодействие гормона и его протеолитических фрагментов с внутриклеточными рецепторами ядра, лизосом, комплекса Гольджи и других органелл. Весь комплекс последствий этих событий ещё до конца не вполне ясен, однако на промежуточном этапе происходит образование вторичных мессенджеров: диацилглицерина и инозитолтрифосфата, одним из эффектов которых является активация фермента — протеинкиназы С. • Усиление поступления глюкозы в клетку связано с активирующим действием посредников инсулина на включение в клеточную мембрану цитоплазматических везикул, содержащих белокпереносчик глюкозы GLUT 4. Адгезионные молекулы (интегрины) • • • Белки интегрины синтезируются во многих клетках, они играют важную роль в прикреплении одной клетки к другой и к внеклеточному матриксу, а также в передаче сигнала от компонентов внеклеточного матрикса, таких как фибронектин и коллаген. Связывание сигнальной молекулы с внеклеточным доменом интегринов изменяет конформацию белков, вслед за чем они образуют кластеры в мембране и иницируют передачу сигнала. У интегринов нет киназной активности; однако в передаче сигнала от них участвуют различные внутриклеточные киназы и адапторные молекулы, основной из них является киназа, связанная с интегином. Передача сигнала через интегрины и RTK определяет время выживания клеток, наступление апоптоза, пролиферацию и дифференциацию клеток. Между передачей сигнала от интегринов в клетках, циркулирующих в кровеносном русле и прикрепленных клеток, таких как клетки эпителия, есть существенные различия; интегрины клеток крови в норме не активны. Например, интегрины лейкоцитов поддерживаются в неактивной форме, чтобы предотвратить их прикрепление к эпителию; они активируются только сигналами, получаемыми в том месте, где есть воспаление. Интегрины тромбоцитов крови неактивны, точбы не было тромбоза. Эпителиальные клетки в норме содержат активные интегрины, что позволяет им быть связанными друг с другом и с лежащими ниже клетками стромы, что необходимо для их нормального функционирования. Регулируемые сигнальными молекулами ионные каналы • Регулируемые сигнальными молекулами ионные каналы при ее связывании изменяют конформацию, вследствие чего открывается калитка в канал и ион может проходить по градиенту концентрации через мембрану. • Примером такого канала является ацетилхолиновый рецептор в в нервно-мышечном синапсе. Вход ионов в канал, формируемый этой молекулой, приводит к возникновению потенциала действия на постсинаптической мембране, который формируется в результате открывания потенциал-зависимых каналов для ионов Na и К. • Примером иона, входящего в клетку через лигандрегулируемые каналы, является Ca2+; он действует как вторичный мессенджер, иницирующий сигнальный каскад, влияющий на метаболизм клетки. Устройство канала никотинового ацетилхолинового рецептора Изменение конформации ацетилхолинового рецептора при переходе из закрытого в открытое состояние Ядерные и цитоплазматические рецепторы • Внутриклеточные ядерные и цитоплазматические рецепторы – это растворимые белки. Типичной сигнальной молекулой для них являются стероидные гормоны и производные витамина А (ретиноевая кислота) и D (холекальциферол). Они проходят сквозь мембрану путем пассивной диффузии и связываются с рецептором, после чего комплекс гормон_рецептор изменяет экспрессию генов. • Активированный ядерный рецептор прикрепляетсяк ДНК в специфичных к рецептору гормон!чувствительных элементах (HRE), находящихся в области промотора. Все гормоны, регулирующие экспрессию генов, характеризуются двумя особенностями; их эффекты имеют лаг-фазу и осуществляются в течение длительного периода времени. • Ядерные рецепторы имеют ДНК-связывающие домены с цинковыми пальцами и гормон_связывающий домен; цинковые пальцы стабилизируют ДНК за счет связывание с ее фосфатным скелетом. Гормон-связывающий домен отвечает за димеризацию рецептора, происходящую до его связывания . • В цитозоле стероидные рецепторы в отсутствие стероидов ассоциированы с комплексом белков теплововго шока (шаперонами), шапероны обеспечивают правильное сворачивание белка, при котором доступны сигнальные последовтельности, необходимые для проникновения рецептора в ядро. • Стероидные рецепторы могут также подавлять экспрессию генов, если их домен< необходимый для активации, спрятан внутри молекулы. Актиность рецептора может быть усилена путем фосфорилирования остатков серина в N-конце молекулы. Стероидные гормоны производные холестерина Стероидные гормоны синтезируются в коре надпочечников и половых железах Рецепторы иммунной системы • Основными рецепторамив иммунной системе являются pattern recognition receptors (PRRs), толл-подобные рецепторы (TLRs), рецепторы, активирующие киллеры и ингибирующие киллеры (KARs и KIRs), рецепторы для комплемента, Fc рецепторы, рецепторы В-клеток и рецепторы T - клеток. Толл-подобные рецепторы Толл-подобные рецепторы - класс рецепторов с одним трансмембранным фрагментом, которые распознают консервативные структуры микроорганизмов и активируют клеточный иммунный ответ. Играют основную роль во врождённом иммунитете.. Название получили благодаря сходству с белком, который кодируется открытым в 1985 году геном Toll у дрозофилы. Известно 13 толл-подобных рецепторов млекопитающих, обозначаемых аббревиатурами от TLR1 до TLR13, которые связывают различные лиганды и продуцируются в организме различными типами клеток. У человека существует 10 толл-подобных рецепторов (от TLR1 до TLR10), у мыши — 12 (от TLR1 до TLR9, а также TLR11-13). Ген TLR11 у человека содержит несколько стоп-кодонов, и белок не синтезируется. В 1997 году Руслан Меджитов и Чарльз Дженуэй из Йельского университета обнаружили толл-подобный гомологичный ген у млекопитающих (TLR4).Оказалось, что TLR4 вызывает активацию ядерного фактора каппа-B NF-κB таким же образом как, и интерлейкин-1. Наконец, в 1998 году выяснилось, что лигандом для рецептора является компонент клеточной стенки грамотрицательных бактерий - липополисахарид. В неактивном состоянии толл-подобные рецепторы находятся в мембране в мономерном состоянии. При активации они димеризуются, что приводит к мобилизации адапторных белков и последующей передаче сигнала внутрь клетки, что приводит к синтезу провоспалительных цитокинов, либо интерферонов. Большинство рецепторов образуют гомодимеры, в то время как, например TLR2 образует гетеродимеры с TLR1 или TLR6 в зависимости от лиганда. Нейротрофины Нейротрофины – это семейство белков, которые обеспечивают выживание развитие и функционирование нейронов. Они принадлежат к ростовым факторам, секретируемых клетками белкам, которые передают сигналы, необходимые для выживания, дифференциации и роста клеток. Нейротрофические факторы секретируются тканями-мишенями и предохраняют нейрон, ассоциированный с этой тканью от программируемой смерти (апоптоза). Они также инициируют дифференциацию клетки-предшественника в нейрон. Хотя большая часть нейронов мозга млекопитающих формируется до рождения, в части мозга взрослых, например в гиппокампе) способность к росту нейронов из стволовых клеток сохраняется, то есть происходит нейрогенез. Нейротрофины помогают осуществлять и контролировать нейрогенез. К нейротрофнам относятся фактор рсота нервов (nerve growth factor, (NGF), мозговой нейротрофический фактор (BDNF), нейротрофин3 (NT-3) и нейротрофин-4 (NT-4). Действие медиаторов в синапсе Функции нейротрофинов • • • • При развитии нервной системы позвоночных появляются избыточные некоторые нейроны, которые должны умереть, поскольку они не находят контакта с клетками мишенями. По этой причине они удаляются. От развивающихся нейронов отрастают аксоны, которые должны обеспечить контакт с клеткой-мишенью (мышцей или нейроном). Клеткимишени контролируют количество аксонов, подходящих к клетке путем секреции нейротрофических факторов. Один из них (NGF или бета-NGF) стимулирует деление и дифференциацию симпатических и эмбриональных сенсорных нейронов. NGF обнаруживается главным образом вне центральной нервной системы, но небольшое количество этого белка выявляется и в ЦНС, хотя его физиологическая роль в ЦНС пока неясна. NGF обнаружен также в яде некоторых змей. Нейротрофины связываются с двумя классами гликозилированных рецепторов. Один из них p75 (NTR) связывает все нейротрофины, кроме того есть подтипы Trk, которые специфичны для каждого нейротрофина. NGF секретируется клеткой-мишенью и связывается с рецептором высокого сродства TrkA, находящемся на нейроне, после чего интернализуется (поглощается) нейроном. Комплекс NGF/TrkA транспортируется в тело нейрона. Полагают, что это перемещение NGF от аксона в тело нейрона обеспечивает передачу сигнала на большие расстояниявнутри нейронов. Мозговой нейротрофический фактор • Мозговой нейротрофический фактор (BDNF) первоначально обнаружен в мозге, а впоследствии и на периферийной нервной системе. Это белок< активность которого направлена на определенные нейроны ЦНС и периферической нервной системы, он поддерживает выживание существующих нейронов, а также рост и дифференциацию новых нейронов из клеток предшественников, направленный рост аксонов и дендритов и формирование синапсов. • В мозге он активен в гиппокампе, коре мозжечке и базальной части переднего мозга — в областях, отвечающих за обучение, память и когнитивные способности. BDNF второй охарактеризованный нейротрофический фактор после NGF. • BDNF наиболее активен в стимуляции нейрогенеза. Мыши с дефектом BDNF страдают от дефектов развития мозга и сенсорной нервной системы, обычно они умирают вскоре после рожденияt. • BDNF обнаруживается в ряде тканей, а не только в мозге. Он экспрессируется в сетчатке, ЦНС, моторных нейронах, почках и простате. Мозговой нейротрофический фактор • Синаптогенз зависит от создания новых синапсов и разрушения старых с помощью β-аддуцина. Это белок, связывающий мембрану с цитоскелетом, он находится на вершине растущих актиновых филаментов и облегчает их ассоциацию со спектрином, другим белком цитоскелета, необходимым для создания интегрированной цитоскелетной сети. • Актин играет различную роль в функционировании синапса. В пресинапстических нейронах актин участвует в мобилизации синапстических пузырьков с медиатором и освобождении медиатора в синаптическую щель. • В постсинаптических нейронах он влияет на формирование дендритов. На С-конце аддуцин содержит миристоилированный обгащенный аланином участок для фосфорилирования C киназой (MARCKS), который регулирует его способность к кэпированию. BDNF может снижать эту активность путем регуляции PKC, которая может связываться с MRCKS доменом, ингибируя ее, а также облегчать синаптогенез за счет роста дендритов. Нейротрофин-3 и нейротрофин-4 • Нейротрофин-3 (NT-3) – это белковый ростовой фактор< который активен в определенных нейронах периферической и центральной нервной системы. helps to support the survival and differentiation of. • NT-3 уникален по числу типов нейронов< которые он может стимулировать благодаря его способности активировать два рецепторных тирозинкиназных рецептора (TrkC и TrkB). Мыши с нокаутом по NT-3 теряют проприоцептивные и механорецептивные сенсорные нейроны. • Неотрофин-4 (NT-4) обеспечивает передачу сигнала преимущественно через TrkB рецептор. Он известен также как NT4, NT5, NTF4 и NT-4/5.