Регуляция клеточного ответа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Днепропетровский национальный университет им О. Гончара

Факультет биологии, экологии и медицины

Кафедра биофизики и биохимии

Доклад по теме:

«Регуляция клеточного ответа»

Выполнила:

Студентка гр. БХ-14-м

Лысенко Т.С

Преподаватель:

Д.б.н., проф. каф.

Недзвецкий В.С

Днепропетровск 2015

Содержание

Вступление

1. Сигнальная трансдукция

2. Клеточные рецепторы

2.1 Основные типы мембранных рецепторов

3. Уровни регуляции клеточного ответа

Литература

Вступление

Протекание биохимических реакций в отдельной клетке, з каждом органе, ткани, наконец, во всем организме скоординировано так, что каждая структурная единица организма и сам он з целом функционируют наиболее оптимальным образом.

Открытие Сазерлендом нуклеотида - циклического аденозин-3',5'-монофосфата (сАМР) привело к созданию концепции вторичных сигналов, или мессенджеров, и в конечном счете к появлению новой области биохимии - “клеточной сигнализации". Предмет ее исследования - молекулярные механизмы регуляции клеточного метаболизма внешними (первичными) сигналами, несущими в клетку информацию, что принципиально отличает их от других поступающих в клетку химических соединений, служащих для нее источником материи и энергии. Понятие “cell signaling” подразумевает не только передачу сигналов как таковую, но и весь комплекс событий, с ней сопряженных, з том числе усиление (или амплификацию), ослабление (или аттенюацию) и подавление (или выключение) сигналов. Так что чаще всего используется термин «клеточная сигнализация».

1. Сигнальная трансдукция

Передача сигнала -- этот термин относится к любому процессу, при помощи которого клетка превращает один тип сигнала или стимула в другой.

Существование сложных многоклеточных организмов возможно благодаря координации биохимических процессов, протекающих в их клетках. Основой такой координации служат межклеточная коммуникация и передача сигнала внутри отдельных клеток. Вместе это даёт возможность одной клетке контролировать поведение остальных. В большинстве случаев передача сигнала внутри клетки представляет собой цепь последовательных биохимических реакций, осуществляемых ферментами, часть из которых активируется вторичными посредниками. Такие процессы обычно являются быстрыми: их продолжительность -- порядка миллисекунд в случае ионных каналов и минут -- в случае активации протеинкиназ и липид-опосредованных киназ. Однако в некоторых случаях от получения клеткой сигнала до ответа на него могут проходить часы и даже сутки (в случае экспрессии генов).

Пути передачи сигнала, или сигнальные пути, часто бывают организованы как сигнальные каскады: количество молекул белков и других веществ, принимающих участие в передаче сигнала, возрастает на каждом последующем этапе по мере удаления от первоначального стимула. Таким образом, даже относительно слабый стимул может вызывать значительный ответ. Это явление называется амплификацией сигнала.

Сигналы в клетках передаются с помощью первичных и второчных посредников.

Первичные посредники -- это химические соединения или физические факторы (квант света), способные активировать механизм передачи сигнала в клетке. По отношению к воспринимающей клетке первичные посредники являются экстраклеточными сигналами. Стоит отметить, что в качестве экстраклеточных стимулов могут выступать и молекулы в изобилии присутствующие внутри клетки, но находящиеся в норме в очень низкой концентрации в межклеточном пространстве (например, АТФ или глутамат). В зависимости от функций первичные посредники могут быть разделены на несколько групп:

· гормоны

· цитокины

· нейротрансмиттеры

· факторы роста

Вторичные посредники -- это низкомолекулярные вещества, которые образуются или высвобождаются в результате ферментативной активности одного из компонентов цепи передачи сигнала и способствуют его дальнейшей передаче и амплификации. Вторичные посредники характеризуются следующими свойствами: имеют небольшую молекулярную массу и с высокой скоростью диффундируют в цитоплазме; быстро расщепляются и быстро удаляются из цитоплазмы. Ко вторичным посредникам относятся:

· ионы кальция (Ca2+);

· циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) и циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ)

· инозитолтрифосфат

· липофильные молекулы (например, диацилглицерол);

· оксид азота (NO) (эта молекула выступает и в роли первичного посредника, проникающего в клетку извне).

Иногда в клетке образуются и третичные посредники. Так, обычно ионы Ca2+ выступают в роли вторичного посредника, но при передаче сигнала с помощью инозитолтрифосфата (вторичный посредник) выделяющиеся при его участии из ЭПР ионы Ca2+ служат третичным посредником.

Передача сигнала предполагает примерно следующую схему:

Ш взаимодействие внешнего агента (стимула) с клеточным рецептором,

Ш активация эффекторной молекулы, находящейся в мембране и отвечающей за генерацию вторичных посредников,

Ш образование вторичных посредников,

Ш активация посредниками белков-мишеней, вызывающих генерацию следующих посредников,

Ш исчезновение посредника.

2. Клеточные рецепторы

Получение клеткой сигнала от первичных посредников обеспечивается особыми белками-рецепторами, для которых первичные посредники являются лигандами. Для обеспечения рецепторной функции молекулы белков должны отвечать ряду требований:

Ш обладать высокой избирательностью к лиганду;

Ш кинетика связывания лиганда должна описываться кривой с насыщением, соответствующим состоянию полной занятости всех молекул рецепторов, число которых на мембране ограничено;

Ш рецепторы должны обладать тканевой специфичностью, отражающей наличие или отсутствие данных функций в клетках органа-мишени;

Ш связывание лиганда и его клеточный (физиологический) эффект должны быть обратимы, параметры сродства должны соответствовать физиологическим концентрациям лиганда.

Клеточные рецепторы делятся на следующие классы:

· мембранные

- рецепторные тирозинкиназы

- рецепторы, сопряжённые с G-белками

- ионные каналы

· цитоплазматические

· ядерные

Мембранные рецепторы распознают крупные (например, инсулин) или гидрофильные (например, адреналин) сигнальные молекулы, которые не могут самостоятельно проникать в клетку. Небольшие гидрофобные сигнальные молекулы (например, трийодтиронин, стероидные гормоны, CO, NO) способны проникать в клетку за счёт диффузии. Рецепторы таких гормонов обычно являются растворимыми цитоплазматическими или ядерными белками. После связывания лиганда с рецептором информация об этом событии передаётся дальше по цепи и приводит к формированию первичного и вторичного клеточного ответа.

Механизмы активации рецепторов:

Если внешняя сигнальная молекула воздействует на рецепторы клеточной мембраны и активирует их, то последние передают полученную информацию на систему белковых компонентов мембраны, называемую каскадом передачи сигнала. Мембранные белки каскада передачи сигнала подразделяют на:

· белки-преобразователи, связанные с рецепторами

· ферменты-усилители, связанные с белками-преобразователями (активируют вторичные внутриклеточные посредники, переносящие информацию внутрь клетки).

Так действуют рецепторы, сопряженные с G-белками. Другие рецепторы (ионные каналы, рецепторы с протеинкиназной активностью) сами служат умножителями.

2.1 Основные типы мембранных рецепторов

Существуют три основных типа рецепторов, интегрированные во внешнюю клеточную мембрану:

1) рецепторы, сопряженные с G-белками;

2) рецепторы - ионные каналы;

3) рецепторы, ассоциированные с ферментативной активностью.

Рецепторы, сопряженные с G-белками (их сокращенное обозначение - GPCR, от G-protеin coupled receptors), передают сигнал от первичных мессенджеров к внутриклеточным мишеням с помощью каскада GPCR G-белок эффекторный белок. Первичными сигналами для этих рецепторов служат самые разнообразные молекулы, среди которых низкомолекулярные гормоны и нейропередатчики, или нейротрансмиттеры (например, адреналин, норадреналин, ацетилхолин, серотонин, гистамин), опиоиды, гормоны пептидной и белковой природы (адренокортикотропин, соматостатин, вазопрессин, ангиотензин, гонадотропин, эпидермальный фактор роста), некоторые нейропептиды. В этот же ряд попадают множество химических сигналов, воспринимаемых обонятельными и вкусовыми сенсорными клетками, и свет, рецептором для которого служит пигмент зрительных, или фоторецепторных, клеток родопсин. Следует учесть, что один и тот же первичный сигнал может инициировать передачу сигнала через несколько (иногда более 10) разных GPCR, так что если число внешних сигналов для GPCR составляет несколько десятков, то самих таких рецепторов известно более 200. При всем их разнообразии GPCR представляют собой мономерные интегральные мембранные белки, полипептидная цепь которых семь раз пересекает клеточную мембрану. Во всех случаях участок рецептора, ответственный за взаимодействие с первичным сигналом, локализован с внешней стороны мембраны, а участок, контактирующий с G-белком, - на ее цитоплазматической стороне.

Следующий за рецептором “вниз по течению” компонент каскада передачи сигнала с участием GPCR представлен G-белком. Найдено около 20 различных G-белков, среди них прежде всего нужно упомянуть Gs и Gi, которые соответственно стимулируют и ингибируют адeнилатциклазу; Gq, активирующий фосфолипазу С; G-белки сенсорных клеток: фоторецепторных - Gt (трансдуцин), обонятельных - Golf и вкусовых -- Gg.

G-белки - это гeтeротримеры, которые состоят из субъединиц трех типов: б, в, г но з естественных условиях последние две субъединицы функционируют как единый вг -комплекс. Важнейшая характеристика G-белков - присутствие на их б-субъединице центра связывания гуаниловых нуклеотидов: GDP и GTP. Если с G-белком связан GTP, то это соответствует его активированному состоянию (G-GTP) или, иначе, G-белок находится з положении "включено". Если в нуклеотидсвязывающем центре присутствует GDP, то эта форма (G-GDP) соответствует состоянию "выключено”. Центральное событие при передаче сигнала от рецептора, на который подействовал первичный сигнал, к G-белку состоит в том, что активированный рецептор катализирует обмен GDP, связанного с G-белком, на присутствующий в среде GTP. Это событие, обозначаемое как GDP/GTP-обмен на G-белке, сопровождается диссоциацией тримерной молекулы G-белка на две функциональные субъединицы: б -субъединицу, содержащую GTP и вг -комплекс. Далее одна из этих функциональных субъединиц, какая именно - зависит от типа сигнальной системы, взаимодействует с эффекторным белком, представленным ферментом или катионным каналом. Как следствие их каталитическая активность или ионная проводимость соответственно меняется, что, в свою очередь, приводит к изменению цитоплазматической концентрации вторичного мессенджера (или катиона) и в конечном счете инициирует тот или иной клеточный ответ. Можно добавить, что эффекторными белками в сигнальных системах типа GPCR G-белок эффекторный белок могут быть аденилатциклаза, катализирующая синтез сАМ Р из АТР; фосфолипаза С, гидролизующая фосфатидилинозит с образованием ДАГ и IP3.; фосфодиэстераза, расщепляющая cGMP до GMP; некоторые типы калиевых и кальциевых каналов.

Весьма важно, что при передаче сигнала з каскаде рецептор => G-белок => эффекторный белок исходный внешний сигнал может многократно усиливаться, или амплифицироваться. Это происходит благодаря тому, что одна молекула рецептора за время пребывания в активированном состоянии (R*) успевает перевести в активированную форму (G*) несколько молекул G-белка. Например, в зрительном каскаде родопсин => Gt => cGMP-фосфодиэстераза на каждую молекулу R* может образоваться несколько сот или даже тысяч молекул G*, а это означает, что на первой стадии каскада R* => G* коэффициент усиления внешнего сигнала составляет 102--103. Хотя на следующей стадии каскада (G* => эффекторный белок) каждая молекула G* взаимодействует только с одной молекулой эффекторного белка, сигнал здесь также амплифицирустся, поскольку на каждую молекулу G* и соответственно активированного эффекторного белка в цитоплазме появляется (исчезает) большое число молекул вторичного сигнала. Так, в зрительном каскаде на второй его стадии одна молекула активированной cGMP-фосфодиэстсразы способна расщепить в секунду до 3 тыс. молекул cGМР, служащего в фоторецепторных клетках вторичным мессенджером.

Поскольку усиление внешнего сигнала на обеих стадиях суммируется, то в конечном счете коэффициент амплификации сигнала при его прохождении через каскад может достигать весьма высоких значений: в зрительных клетках это величина порядка 105-106.

Ясно, что прекращение действия внешнего стимула должно сопровождаться "выключением" всех компонентов сигнальной системы. На уровне рецепторов это достигается, во-первых, з результате диссоциации первичного сигнала из комплекса с GPCR, во-вторых, путем фосфорилирования рецепторов под действием специальных протеинкиназ и последующего связывания с модифицированным рецептором специального белка. G-белки обладают способностью гидролизовать связанный с ними GTP до GDP, что обеспечивает их самовыключение, то есть переход G-GTP => G-GDP. Поскольку состояние активации эффекторного белка (включен-выключен) прямо зависит от состояния G-белка, то этот переход означает также выключение эффекторного белка, а следовательно, прекращение синтеза (гидролиза) вторичного мессенджера или закрывание ионного канала. И наконец, чтобы переход клетки к исходному (до действия внешнего стимула) состоянию завершился, специальные механизмы восстанавливают исходный уровень вторичного мессенджера или катиона з ее цитоплазме. Например, сАМР, цитоплазматическая концентрация которого повышается при передаче сигнала в каскаде в-адренорецептор => Gs-белок => аденилатциклаза, гидролизуется затем сАМР-фосфодиэстсразой до нециклического (линейного) АМР, который свойствами вторичного мессенджера не обладает.

Рецепторы - ионные каналы - это интегральные мембранные белки, состоящие из нескольких субъединиц, полипептидная цепь которых несколько раз пересекает наружную клеточную мембрану. Они действуют одновременно и как ионные каналы и как рецепторы, которые способны специфически связывать со своей внешней стороны первичные сигналы, изменяющие их ионную (катионную или анионную -- в зависимости от типа рецептора) проводимость. Рецепторы данного типа используют в качестве первичных сигналов некоторые нейротрансмиттеры, отвечающие за синаптическую передачу в электрически возбудимых клетках. Классические примеры такого рода - это катионные ацетилхолиновые никотиновые рецепторы, локализованные на мембране клеток скелетных мышц в местах их синапсов с моторными нейронами, и подобные рецепторы из электрического органа скатов.

Рецепторы, ассоциированные с ферментативной активностью, по своей четвертичной (субъединичной) структуре весьма разнообразны. За некоторыми исключениями они представляют собой либо мономеры, которые при связывании с ними первичного мессенджера димеризуются, либо олигомеры, образованные несколькими субъединицами различных типов. Практически у всех этих рецепторов полипептидная цепь их мономерных субъединиц единственный раз пересекает клеточную мембрану. Общим у них является также то, что участок для связывания первичного сигнала локализован на рецепторе со стороны, обращенной во внеклеточное пространство. По механизму взаимодействия с цитоплазматическими мишенями рецепторы данного типа разделяются на две группы. Первая группа включает рецепторы-ферменты, с цитоплазматической стороны которых находится каталитический участок, активируемый при действии на рецептор внешнего сигнала. Назовем основные виды рецепторов-ферментов. Во-первых, нужно упомянуть обширное семейство рецепторных протеинтирозинкиназ, способных аутофосфорилироваться, то есть фосфорилировать самих себя, по тирозиновым остаткам и фосфорилировать тирозиновые остатки белков-мишеней, расположенных “вниз по течению". Во-вторых, это рецепторы, обладающие протеинтирозинфосфатазной активностью, которые дефосфорилируют фосфотирозиновые остатки белков-мишеней. Следует указать, что рецепторные протеинтирозинкиназы и протеинтирозинфосфатазы вовлекаются в регуляцию таких важнейших событий, как клеточное деление, дифференцировка, развитие иммунного ответа. В-третьих, существуют рецепторные гуанилатциклазы, которые катализируют синтез вторичного мессенджера, cGMP, из GTP Рецепторы данного типа участвуют в регуляции водно-солевого обмена и тонуса сосудов.

Вторая группа рассматриваемых рецепторов собственной ферментативной активностью не обладает. Однако в присутствии внешнего сигнала они приобретают способность связывать цитоплазматические (не рецепторные) протеинтирозинкиназы, которые в свободном состоянии неактивны, но в комплексе с рецептором активируются и фосфорилируют его. Включение фосфатных остатков з такой рецептор-"якорь" создаст условия для связывания с ним других белков-мишеней, которые также фосфорилируются и тем самым передают сигнал “вниз по течению". В эту группу входят рецепторы, участвующие в развитии иммунного ответа, а именно: рецепторы антигенов и рецепторы цитокинов, или интерлейкинов.

3. Уровни регуляции клеточного ответа

В самом общем виде можно выделить три основных уровня регуляции клеточного ответа. Во-первых, это уровень транскрипции, здесь может регулироваться как собственно транскрипция, так и последующий процессинг предшественника информационной РНК, а также деградация предшественника и самой РНК. Во-вторых, уровень трансляции; регуляции может подвергаться собственно синтез белка, его последующий процессинг либо деградация предшественника или самого белка после завершения процессинга. В-третьих, это регуляция на уровне собственно зрелых белков, реализуемая следующими способами.

Обратимая ковалентная модификация белков. Примером может служить фосфорилирование гликогенфосфорилазы, катализируемое специальной протеинкиназой. Протеинкиназы - это ферменты, включающие фосфатный остаток (остатки) в белки АТР-зависимым образом. Здесь же следует упомянуть и обратный процесс дефосфорилирования белков, катализируемый протеинфосфатазами. Оба этих разнонаправленных (фосфорилирование /дефосфорилирование) процесса -- широко используемый клетками прием для изменения свойств самых разнообразных белков путем их ковалентной модификации. Другой важный способ состоит в ковалентном присоединении к полипептидам гидрофобных групп - метильных и некоторых ацильных, например остатков пальмитиновой кислоты. регуляция клетка биохимический трансдукция

Изменение каталитической активности и других свойств белков под действием лигандов. Число подобных лигандов велико, но для сигнальных систем наиболее важны вторичные мессенджеры: сАМР, сСМР, ДАГ, IР3, ионы кальция. Кстати, каждый из них может регулировать активность некоторых протеинкиназ, а значит, и уровень фосфорилирования соответствующих белков-мишеней.

Модуляция свойств белков путем белок-белковых взаимодействий. В качестве примера можно привести сАМР-зависимую протеинкиназу. Молекула этого фермента, состоящая из двух каталитических и двух регуляторных субъединиц, неактивна потому, что каждая из регуляторных субъединиц в составе тетрамера служит ингибитором протеинкиназной активности каталитических компонентов. Однако в присутствии сАМР тетрамер диссоциирует на составные части, каталитические субъединицы освобождаются от ингибирования и фосфорилируют белки-мишени.

Изменение компартментализации. Изменение компартментализации (или, иначе, изменение местонахождения) белковой молекулы, например при ее переходе из цитоплазмы (один компартмент) на мембрану (другой компартмент), может быть причиной драматических изменений свойств белков, существенных для их сигнальных функций. Наверное, один из самых ярких примеров такого рода - широко распространенный белок р21ras, который имеет прямое отношение к злокачественной трансформации клеток человека и животных. Точнее, это относится к мутантным формам р21ras, тогда как нормальная его форма участвует в работе некоторых сигнальных систем, у которых первичным мессенджером служат ростовые факторы, регулирующие деление и дифференцировку клеток. Совсем недавно установлено, что р21ras приняв сигнал от соответствующего рецептора, переходит в активированное состояние, и все, что он затем должен сделать, -- это перевести специальную протеинкиназу, именуемую Raf, из цитоплазмы на мембрану. Можно добавить, что регуляция на уровне зрелых белков может происходить также и другими путями, например при их секреции, экзоцитозе и эндоцитозе.

Литература

1. Альберте А., Брей Д. Ю., Льюис Р. и др. Молекулярная биология клетки: В 3 т.: Пер. с англ. М.: Мир, 1994.

2. Pardee А.В. Multiple Molecular Levels of Cell Cycle Regulation //J. Cell. Biochem. 1994. Vol. 54. P. 375--378.

3. Krauss, G. (2003). Biochemistry of signal transduction and regulation. WILEY-VCH, Weinheim.

Размещено на Allbest.ru