Биохимия семестр 1

•Другой возможный механизм переноса предполагает участие нескольких белков—переносчиков. В этом случае первоначально связанное соединение само переходит от одного белка к другому, последовательно связываясь то с одним, то с другим белком, пока не окажется на противоположной стороне мембраны.

Пассивный транспорт всегда ведёт к выравниванию концентраций Например, если повышается концентрация глюкозы в крови, то очень скоро за счёт пассивного транспорта глюкозы увеличивается и её концентрация в клетках.

Осмотическое давление — избыточное гидростатическое давление на раствор, отделённый от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при котором прекращается диффузия растворителя через мембрану (осмос).

Это давление стремится уравнять концентрации обоих растворов вследствие встречной диффузии молекул растворённого вещества и растворителя.

Физиологические растворы:

Физиологический раствор — солевые растворы, осмотическое давление которых близко к осмотическому давлению и солевому составу плазмы крови. В узком смысле слова Ф. р. обычно называют 0,9%-ный раствор поваренной соли, применяющийся в физиологических опытах и медицине для внутреннего или подкожного введения при недостатке воды в тканях организма.

Гипертонический раствор — раствор,

имеющий бо́льшую концентрацию вещества по отношению к внутриклеточной. При погружении клетки в гипертонический раствор происходит её дегидратация — внутриклеточная вода выходит наружу, что приводит к высыханию и сморщиванию клетки. Гипертонические растворы применяются при осмотерапии для лечения внутримозгового кровоизлияния.

Гипотонический раствор — раствор,

имеющий меньшее осмотическое давление по отношению к другому, то есть обладающий меньшей концентрацией вещества, не проникающего через мембрану. При погружении клетки в гипотонический раствор, происходит осмотическое проникновение воды внутрь клетки с развитием её гипергидратации — набухания с последующим цитолизом.

Изотония — равенство осмотического давления в жидких средах и тканях организма, которое обеспечивается поддержанием осмотически эквивалентных концентраций содержащихся в них веществ. Изотония — одна из важнейших физиологических констант организма, обеспечиваемых механизмами саморегуляции. Изотонический раствор —

раствор, имеющий осмотическое давление, равное внутриклеточному. Клетка, погружённая в изотонический раствор, находится в равновесном состоянии — молекулы воды диффундируют через клеточную мембрану в равном количестве внутрь и наружу, не накапливаясь и не теряясь клеткой. Отклонение осмотического давления от нормального физиологического уровня влечёт за собой нарушение обменных процессов между кровью, тканевой жидкостью и клетками организма. Сильное отклонение может нарушить структуру и целостность клеточных мембран.

6. Активный транспорт: основные механизмы и примеры белковтранспортёров.

Активный транспорт имеет место в том случае, когда перенос осуществляется против градиента концентрации. Такой перенос требует затраты энергии клеткой. Активный транспорт служит для накопления веществ внутри клетки. Источником энергии часто является АТР. Для активного транспорта кроме источника энергии необходимо участие мембранных белков. Одна из активных транспортных систем в клетке животных отвечает за перенос ионов Na+ и K+ через клеточную мембрану. Эта система называется Na+ — K+ — насос. Она отвечает за поддержание состава внутриклеточной среды, в которой концентрация К+ выше, чем Na+ :

Градиент концентрации калия и натрия поддерживается путем переноса К+ внутрь клетки, а Na+ наружу. Оба транспорта происходят против градиента концентрации. Такое распределение ионов определяет содержание воды в клетках, возбудимость нервных клеток и клеток мышц и другие свойства нормальных клеток.

Na+ ,K+ —насос представляет собой белок

— транспортную АТР—азу. Молекула этого фермента является олигомером и пронизывает мембрану. За полный цикл работы насоса из клетки в межклеточное вещество переносится три иона Na+, а в обратном направлении — два иона К+. При этом используется энергия молекулы АТР.

Существуют транспортные системы для переноса ионов кальция (Са2+ — АТР—азы), протонные насосы (Н+ — АТР—азы) и др.

Симпорт это активный перенос вещества через мембрану, осуществляемый за счет энергии градиента концентрации другого вещества. Транспортная АТР—аза в этом случае имеет центры связывания для обоих веществ.

Антипорт — это перемещение вещества против градиента своей концентрации. При этом другое вещество движется в противоположном направлении по градиенту своей концентрации.

Симпорт и антипорт могут происходить при всасывании аминокислот из кишечника и реабсорбции глюкозы из первичной мочи. При этом используется энергия градиента концентрации ионов Na+, создаваемого Na+, K+—АТР—азой.

7. Экзоцитоз и эндоцитоз: основные механизмы и биологическая роль.

Для клеток различных типов характерны процессы экзо- и эндоцитоза.

В приближенном виде экзоцитоз — выделение каких-либо продуктов через плазматическую мембрану во внеклеточную среду, эндоцитоз — поступление материалов из внешней среды в клетку. Эти механизмы служат примером сложных систем, сконструированных из функционально взаимосвязанных блоков, реализующих многоступенчатые процессы.

Экзоцитоз — наиболее распространенный механизм секреции — лежит в основе таких различных феноменов, как внешняя секреция слизи, ферментов, гормонов, выделение нейротрансмиттеров при передаче сигналов от одной клетки к другой и т.д. Этот механизм обеспечивает также выделение альбумина и некоторых других белков гепатоцитами, гистамина — тучными клетками и т.д. При экзоцитозе материал, упакованный в секреторных гранулах, покрытых липопротеиновой мембраной, выбрасывается во внешнюю среду клетки (в ряде случаев в межклеточные пространства).

Эндоцитоз сводится к тому, что под влиянием чаще всего определенного сигнала участок мембраны начинает инвагинироваться внутрь цитоплазмы. Образовавшаяся везикула, покрытая плазматической мембраной, начинает двигаться по направлению к центральным структурам клетки. Можно выделить несколько типов эндоцитозов: 1) фагоцитоз

— поступление во внутриклеточную среду «твердых» структур; 2) пиноцитоз — поступление во внутриклеточную среду жидких субстратов; 3) микропиноцитоз, отличающийся от фаго- и пиноцитоза незначительной величиной образовавшихся везикул.

8. Рецепторная функция биологических мембран. Классификация рецепторов. Принципы передачи гормонального сигнала. Классификация G-белков. Вторичные посредники.

Рецепторная функция био.мембран —

некоторые белки, находящиеся в мембране, являются рецепторами (молекулами, при помощи которых клетка воспринимает те или иные сигналы).

Рецепторы – молекулы белковой природы, связывание с которыми специфического лиганда вызывает биологический эффект.

По локализации в клетке

•Мембранные;

•Цитоплазматические;

•Ядерные;

По принципу функционирования

•Рецепторы, сопряженные с ионными каналами (ионотропные);

•Рецепторы, сопряжёнными с G-белками (метаботропные);

•Каталитические рецепторы;

Гормоны– это вещества, к признакам которых относятся:

синтез в специализированных клетках,

регулирование обмена веществ в отдельных органах и во всем организме в целом,

высокая специфичность действия (влияние на конкретные органы-мишени либо на определенные метаболические процессы),

высокая биологическая активность в очень малых количествах,

большая длительность действия (по сравнению. с нервной системой),

дистантный характер действия (удаленность мишени от места синтеза гормона),

действуют через рецепторы, изменяя активность ферментативных систем.

Способы взаимодействия сигналов и клеток мишеней многообразны

К настоящему времени известны следующие варианты действия сигналов на клетки :

1)гормональное или гемокринное, т.е. действие на клетки, расположенные далеко от сточника сигналов и использующие кровообращение для переноса сигнала от клетки производителя до отдаленной клетки - мишени.

2)изокринное, или местное, когда химическое вещество, синтезированное в одной клетке, оказывает действие на клетку, расположенную в тесном контакте с первой, и высвобождение этого вещества осуществляется в межтканевую жидкость и кровь;

3)нейрокринное, или нейроэндокринное

(синаптическое и несинаптическое), действие, когда гормон, высвобождаясь из нервных окончаний, выполняет функцию нейротрансмиттера или нейромодулятора, т.е. вещества, изменяющего (обычно усиливающего) действие нейротрансмиттера;

4) паракринное — разновидность изокринного действия, но при этом гормон, образующийся в одной клетке, поступает в межклеточную

жидкость и влияет на ряд клеток, расположенных в непосредственной близости;

5)юкстакринное – разновидность паракринного действия, когда гормон не попадает в межклеточную жидкость, а сигнал передается через плазматическую мембрану рядом расположенной клетки.

6)аутокринное действие, когда высвобождающийся из клетки гормон оказывает влияние на ту же клетку, изменяя ее функциональную активность;

7)солинокринное действие, когда гормон из одной клетки поступает в просвет протока и достигает таким образом другой клетки, оказывая на нее специфическое воздействие (например, некоторые желудочно-кишечные гормоны)

Классификация G-белков.

G-белки делятся на две основных группы

— гетеротримерные («большие») и «малые».

Гетеротримерные G-белки — это белки с четвертичной структурой, состоящие из трёх субъединиц: альфа(α), бета (β) и гамма (γ).

Малые G-белки — это белки из одной полипептидной цепи, они имеют молекулярную массу 20—25 кДа и относятся к суперсемейству Ras малых ГТФаз. Их единственная полипептидная цепь гомологична α-субъединице гетеротримерных G-белков.

Гетеротримерные G-белки

У всех гетеротримерных G-белков сходный механизм активации: они активируются при взаимодействии со специфическими рецепторами, сопряженными с G-белками, при этом обменивая ГДФ на ГТФ и распадаясь на α- и βγ-субъединицы. α-субъединица, связанная с ГТФ, воздействует на следующее звено в цепи передачи сигнала. βγ-субъединица также может вызывать собственные эффекты.

Инактивация G-белков происходит в результате медленного гидролиза ГТФ до

ГДФ α-субъединицей, после чего происходит реассоциация (объединение) субъединиц.

Вторичные мессенджеры, или посредники,

это внутриклеточные вещества, концентрация которых строго контролируется гормонами, нейромедиаторами и другими внеклеточными сигналами. Такие вещества образуются из доступных субстратов и имеют короткий биохимический полупериод.

Основные «вторичные мессенджеры»

цАМФ циклический аденозинмонофосфат

цГМФ циклический гуанозинмонофосфат

ИФ3 инозитол-3-фосфат

ДАГ диацилглицерол

Са2+ кальций

9. Аденилатциклазная система трансдукции сигнала: примеры рецепторов, основные эффекты и биологическая роль.

Циклический АМФ (циклоАМФ, цАМФ) образуется в клетке, когда действуют гормоны гипофиза (ТТГ, ЛГ, МСГ, ФСГ. АКТГ), кальцитонин, соматостатин, глюкагон, паратгормон, адреналин (через α2- и β- адренорецепторы), вазопрессин (через V2рецепторы).

Механизм наработки цАМФ связан с активацией фермента аденилатциклазы и называется аденилатциклазный механизм:

Этапы передачи сигнала

1. Взаимодействие лиганда с рецептором приводит к изменению конформации последнего. Это изменение передается на G- белок (GTP, ГТФ-зависимый), который состоит из трех субъединиц (α, β и γ), α- субъединица связана с ГДФ.

В составе G-белков α-субъединицы бывают двух типов по отношению к аденилатциклазе: активирующие αs и ингибирующие αi.

Например, в случае действия адреналина с активирующей субъединицей αs взаимодействуют β-адренорецепторы, с ингибирующей – α2-адренорецепторы.

2. В результате взаимодействия с рецептором β- и γ-субъединицы отщепляются, одновременно на α-субъединице ГДФ заменяется на ГТФ.

3.Активированная таким образом αsсубъединица стимулирует аденилатциклазу, которая начинает синтез цАМФ. Если в действо была вовлечена αi-субъединица, то она ингибирует аденилатциклазу, все останавливается.

4.Циклический АМФ (циклоАМФ, цАМФ) – вторичный мессенджер – в свою очередь связывается с регуляторными (R) субъединицами протеинкиназы А и вызывает их диссоциацию от каталитических. В результате каталитические (C) субъединицы становятся активными..

Протеинкиназа А (ПК А) фосфорилирует ряд ферментов, среди которых киназа фосфорилазы гликогена, гликогенсинтаза, гормончувствительная липаза, транскрипционный фактор CREB (cAMPresponse element-binding protein).

5. Наработка цАМФ продолжается некоторое время, пока α-субъединица, которая является ГТФ-азой, отщепляет фосфат от ГТФ.

6.Как только ГТФ превратился в ГДФ, то α- субъединица инактивируется, теряет свое влияние на аденилатциклазу, обратно соединяется с β- и γ-субъединицами.

7.Все возвращается в исходное положение.

Гормон отрывается от рецептора еще раньше:

если концентрация гормона в крови велика, то следующая его молекула присоединится к рецептору через малый промежуток времени и повторный запуск АЦ-механизма произойдет быстро – в клетке активируются соответствующие процессы.

если гормона в крови мало – для клетки наступает некоторая пауза, изменения метаболизма нет.

Остановка АЦ-механизма

Очевидно, что находящийся в цитозоле цАМФ должен своеременно удаляться, чтобы гормональный сигнал не оказывал избыточное воздействие. Для ликвидации цАМФ (и циклоГМФ) в клетках присутствуют

различные фосфодиэстеразы, "открывающие" созданный фосфатом цикл. Они отличаются друг от друга внутриклеточной локализацией, молекулярной массой, сродством к субстрату и тп.

Снижение активности цАМФ-фосфодиэстеразы вызывается глюкокортикоидами, что усиливает действие адреналина при стрессе, и кофеином, что обусловливает его адреналиноподобные эффекты – гипергликемия, ино- и хронотропный эффект на сердце, расширение сосудов скелетных мышц и головного мозга.

Активация фосфодиэстеразы вызывается инсулином, также быстро и обратимо обеспечивается ионами Cа2+ либо непосредственно, либо через гуанилатциклазный механизм.

10. Инозитолфосфатная трансдукции сигнала: примеры рецепторов, основные эффекты и биологическая роль.

По этому механизму, который получил название кальций-фосфолипидный механизм, действуют вазопрессин (через V1-рецепторы), адреналин (через α1-адренорецепторы), ангиотензин II.

Принцип работы этого механизма совпадает с предыдущим, но вместо аденилатциклазы мишеневым ферментом для α-субъединицы служит фосфолипаза С (ФЛ С). Фосфолипаза С расщепляет мембранный фосфолипид фосфатидилинозитолдифосфат (ФИФ2) до вторичных мессенджеров инозитолтрифосфата (ИФ3) и диацилглицерола (ДАГ)

Этапы кальций-фосфолипидного механизма

Взаимодействие гормона с рецептором приводит к изменению конформации последнего.

Это изменение передается на G-белок (GTP, ГТФ-зависимый) который состоит из трех субъединиц (αP, β и γ), α-субъединица связана с ГДФ.

В результате взаимодействия с рецептором β- и γ-субъединицы отщепляются, одновременно на αP-субъединице ГДФ заменяется на ГТФ.

Активированная таким образом αPсубъединица стимулирует фосфолипазу С, которая начинает расщепление ФИФ2 до двух вторичных мессенджеров – ИФ3 и ДАГ.

Инозитолтрифосфат открывает кальциевые каналы в эндоплазматическом ретикулуме, что вызывает увеличение концентрации ионов Cа2+. Диацилглицерол совместно с ионами Са2+ активирует протеинкиназу С. Кроме этого, диацилглицерол имеет и другую сигнальную функцию: он может распадаться на 1-моноацилглицерол и полиеновую жирную кислоту (обычно арахидоновую), из которой образуются эйкозаноиды.

Протеинкиназа С фосфорилирует ряд ферментов и в целом участвует в процессах клеточной пролиферации. Накопление ионов Са2+ в цитоплазме вызывает активацию определенных кальций-связывающих белков (например, кальмодулина, аннексина, тропонина С).

Гидролиз ФИФ2 продолжается некоторое время, пока αP-субъединица, которая является ГТФ-азой, отщепляет фосфат от ГТФ.

Как только ГТФ превратился в ГДФ, то αPсубъединица инактивируется, теряет свое влияние на фосфолипазу C, обратно соединяется с β- и γ-субъединицами.

Все возвращается в исходное положение.

Гормон отрывается от рецептора еще раньше:

если концентрация гормона в крови велика, то следующая его молекула присоединится к рецептору через малый промежуток времени и повторный запуск механизма произойдет быстро – в клетке активируются соответствующие процессы.

если гормона в крови мало – для клетки наступает некоторая пауза, изменения метаболизма нет.

11. Рецептор инсулина: механизмы трансдукции внутриклеточного сигнала и биологические эффекты.

Рецептор инсулина – пример тирозиновой протеинкиназы, т.е.фермента, фосфорилирующего белки по остаткам тирозина.

Присоединение инсулина к центру связывания на α-субъединицах активирует фермент, причём субстратом служит сама тирозиновая протеинкиназа (β-субъединица) – происходит трансфосфорилирование β-субъединиц по нескольким тирозиновым остаткам.

Другой субстрат тирозинкиназы - IRS-1(субстрат инсулинового рецептора-1).

12. Регуляция рецепторной активности.

Рецепторы, будучи первичными приемниками внеклеточных сигналов, гибко реагируют на их интенсивность. Они являются регуляторными белками, и на их активность влияют различные факторы типа тех, которые были обсуждены выше. Суммируя механизм регуляции, можно сказать, что активность рецепторов, включая рецепторы гормонов и медиаторов, регулируется, во-первых, числом рецепторов и, во-вторых, их сродством к эффекторам.

Механизмы регуляции ферментативной активности, используемые действующими на клетку сигнальными молекулами. Обратимые ковалентные модификации, белок-белковые взаимодействия, аллостерическая регуляция, ограниченный протеолиз. Долговременные механизмы изменения активности эффекторных белков: изменение уровня экспрессии белка; изменение изоферментного состава белков; изменение внутриклеточной локализации белка.

См. методичку 9!