Практические занятия / Лекции / Тексты лекций по биологии медико-профилактическое дело / LEK8

ВОЕННО-МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра биологии имени академика Е.Н.Павловского

"УТВЕРЖДАЮ"

Заведующий кафедрой биологии

профессор

А.Ф.НИКИТИН

" "_________ 2013г.

Доктор медицинских наук профессор

Никитин А.Ф.

Л Е К Ц И Я N 8

по биологии на тему

«БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ»

для курсантов и слушателей I курса 2 факультета

по специальности «Медико-профилактическое дело»

Обсуждена на заседании кафедры

" " ________________ 2013 г.

Протокол N__________________

САНКТ - ПЕТЕРБУРГ

2013 г.

С О Д Е Р Ж А Н И Е

ВВЕДЕНИЕ

Клеточная сигнализация – это процесс, включающий получение и обработку клеткой информации, поступающей из окружающей среды в виде разнообразных сигналов физической или химической природы, и специфический ответ клетки на действие сигнала. Клеточная сигнализация осуществляется сигнальными системами, материальную основу которых на молекулярном уровне составляют рецепторы, элементы сигнал передающих путей и эффекторные белки, реализующие ответ клетки на действие сигнала. Клеточная сигнализация играет исключительно большую роль в адаптивных реакций клеток на изменения окружающей среды и интеграции деятельности клеток в составе целостного организма. Нарушения процессов клеточной сигнализации служат одной из причин развития патологии человека.

На лекции будут рассмотрены следующие вопросы:

1. Характеристика клеточной сигнализации и ее виды;

2. Сигнальные молекулы, участвующие в процессах клеточной сигнализации у высших животных и человека;

3. Механизмы клеточной сигнализации;

1. Клеточная сигнализация, как отмпчалось выше, осуществляется сигнальными системами, материальную основу которых на молекулярном уровне составляют рецепторы, элементы сигнал передающих путей и эффекторные белки, реализующие ответ клетки на действие сигнала. Общий принцип функционирования сигнальных систем состоит в том, что внешний сигнал, взаимодействуя с рецептором клеток-мишеней, вызывает изменение конформации рецептора и его активацию, результатом чего служит передача полученной рецептором информации к эффекторным белкам, обеспечивающим ответ клетки на действие сигнала.

Клеточная сигнализация играет большую роль в формировании адаптивных реакций про- и эукариотических организмов на действие факторов окружающей среды.

Особое значение клеточная сигнализация имеет для высших многоклеточных животных, включая человека, в связи с необходимостью тесной координации и интеграции деятельности составляющих их клеток в составе целостного организма.

В процессе эволюции у многоклеточных животных появилось несколько видов клеточной сигнализации с использованием химических сигнальных молекул: паракринная, аутокринная, юкстакринная, эндокринная и синаптическая. Указанные виды сигнализации различаются по способу доставки химических молекул к клеткам, а также по расстоянию, на которое действуют сигнальные механизмы.

Паракринная сигнализация характеризуется выделением клеткой химических медиаторов, которые оказывают действие лишь на клетки ближайшего окружения. Паракринная сигнализация играет большую роль в процессах развития организма, дифференцировки клеток, репарации тканей после их повреждения и др.

При аутокриной сигнализации клетка выделяет вещества, которые действуют на ту же самую клетку. Этот вид сигнализации широко используют клетки иммунной системы.

Юкстакринная сигнализация характеризуется передачей сигнала от одной клетки другой в результате их адгезии, т.е. непосредственного физического контакта. При этом молекула лиганда не отщепляется от сигнализирующей клетки, а остается на наружной поверхности клеточной мембраны. Благодаря юкстакринной сигнализации осуществляется распознавание клетками друг друга, а также связывание их с внеклеточным матриксом.

Эндокринная сигнализация характеризуется секрецией клетками эндокринных желез биологически активных соединений - гормонов в кровеносное русло или в тканевую жидкость, которые затем разносятся с током крови к клеткам - мишеням по всему организму. Гормоны действуют на клетки-мишени в чрезвычайно низких концентрациях, так как в крови и интерстициальной жидкости они очень сильно разбавляются. Посредством гормонов осуществляется межклеточная сигнализация на большие расстояния.

Синаптическая сигнализация, встречается лишь у животных, имеющих нервную систему. Она характеризуется секрецией нейронами сигнальных молекул нейромедиаторов в синаптическую щель – узкое, около 50 нм, пространство, разделяющее мембраны передающей сигнал нервной клетки и клетки- мишени, например, мышечной или нервной. При этом, благодаря тесному контакту пресинаптической и постсинаптической клеток, достигается быстрое адресное распространение сигнала лишь к клетке-мишени. Весь процесс длится менее миллисекунды, поскольку расстояние, на которое диффундирует нейромедиатор очень мало.

2. Сигнальные молекулы, участвующие в процессах клеточной сигнализации у животных и человека отличаются большим разнообразием. Ими могут служить относительно простые молекулы такие как СО₂, Н⁺, О₂, NO, молочная кислота и др., а также более сложные химические соединения, специально образующиеся в качестве специфических регуляторов или первичных посредников (табл. 8.1).

Таблица 8.1

Характеристика первичных посредников

Классы первичных посредников	Характеристика	Химическая природа.
Локальные химические медиаторы	Вещества, которые оказывают влияние лишь на соседние клетки.	В основном белки. Факторы роста, цитокины и др.
Нейромедиаторы	Химические соединения, передающие сигнал в синапсах и действующие только на постсинаптическую клетку.	Пептиды (вазопрессин, окситоцин и др.), производные аминокислот (ацетилхолин, норадреналин и др.)
Гормоны	Вещества, выделяемые эндокринными клетками и транспортируемые жидкостями организма к клеткам-мишеням, расположенным на значительном удалении от места секреции.	Белки (соматотропный гормон, альдостерон и др.) стероиды (тиреоидный гормон, тестостерон и др.)

3. Современные представления о механизмах клеточной сигнализации были заложены в 70-х годах прошлого века. Выделяют три стадии клеточной сигнализации: рецепция, проведение сигнала к эффекторным молекулам и ответ клетки на действие сигнальных молекул.

Клетки- мишени распознают сигнальные молекулы с помощью специальных молекулярных структур- рецепторов, имеющих, белковую природу. В механизме распознавания сигналов существенное значение имеет конформационное соответствие молекул лиганда и рецептора, которые «подходят» друг к другу также как «ключ подходит к замку». Присоединение лиганда к рецептору ведет к аллостерическому изменению конформации рецепторного белка (процесс, называемый активацией рецептора), в результате чего изменяется функциональная активность рецептора.

Как правило, рецепторы способны связываться не только с эндогенными лигандами, но и с другими структурно сходными молекулами. Это позволяет использовать экзогенные вещества, взаимодействующие с рецепторами и изменяющие их состояние, в качестве лекарственных препаратов. В настоящее время более 60% лекарственных средств, применяемых для лечения больных людей, действуют на сигнальные системы клетки

Все рецепторы по их локализации в клетке подразделяются на две большие группы: внутриклеточные рецепторы и рецепторы, расположенные в плазматической мембране.

Внутриклеточные рецепторы располагаются в цитозоле или в ядре клетки. Неактивные рецепторы обычно находятся в составе комплексов с другими белками шаперонами, и лишь после связывания лиганда с рецептором лиганд-рецепторный комплекс освобождается от указанных белков и активируется. Химическими сигналами для внутриклеточных рецепторов служат молекулы, которые переносятся через плазматическую мембрану путем простой диффузии. К ним, например, относятся стероидные гормоны, гормоны щитовидной железы и простагландины. Важная особенность работы внутриклеточных рецепторов заключается в том, что они не только распознают и связывают сигнальные молекулы, но и сами участвуют в передаче сигнала, выполняя, при этом, как правило, функцию транскрипционных факторов .

Рецепторы, расположенные в плазматической мембране, их называют также рецепторы клеточной поверхности, относятся к интегральным мембранным белкам. Рецепторы клеточной поверхности взаимодействуют с разнообразными сигнальными молекулами, общим признаком которых служит гидрофильность и, следовательно, невозможность прямого переноса через липидный бислой плазматической мембраны внутрь клетки. Выделяют три главных типа рецепторов клеточной поверхности: рецепторы ионных каналов, рецепторы, сопряженные с G-белками, и каталитические рецепторы.

Рецепторы ионных каналов представляют собой регулируемые лигандами ионные каналы, которые располагаются в мембране постсинаптической клетки и участвуют в синаптической передаче сигналов между электрически возбудимыми клетками. Обычно такие рецепторы состоят из нескольких субъединиц, пронизывающих всю толщу плазматической мембраны. Специфические сигнальные молекулы, связываясь с белком рецептором, изменяют его конформацию, в результате чего ионные каналы открываются или закрываются. Хорошей иллюстрацией работы рецепторов ионных каналов служит функционирование ацетилхолинового рецептора, расположенного в мембране мышечного волокна в области нервно- мышечного синапса. В открытом состоянии этот канал проницаем для различных катионов (Na⁺, K⁺, Са²⁺) и непроницаем для анионов. Проведение электрического импульса в нервной клетке приводит к освобождению ацетилхолина из ее нервных окончаний в синаптическую щель. После связывания ацетилхолина с рецептором ионный канал рецепторного белка сразу же открывается, что сопровождается значительным притоком положительно заряженных катионов, преимущественно ионов Na⁺, внутрь мышечной клетки. Это вызывает деполяризацию мембраны мышечной клетки и ее сокращение. Для того чтобы сокращения мышечной клетки могли успешно регулироваться сигналами, поступающими от нервной клетки, ацетилхолин быстро удаляется из синаптической щели. Это достигается за счет диффузии ацетилхолина из синаптической щели в окружающее межклеточное пространство, а также посредством расщепления медиатора, находящегося в синаптической щели, ферментом ацетилхолинэстеразой на ацетат и холин. Таким образом, механизм синаптической передачи сигналов между электрически возбудимыми клетками с помощью рецепторов ионных каналов заключается в преобразовании с помощью указанных рецепторов химических сигналов в электрические. Процесс передачи сигнала от рецепторов ионных каналов, их также называют ионотропными рецепторами, отличается большой скоростью и длится менее миллисекунды

Рецепторы, сопряженные с G-белками относятся к одному из наиболее распространенных типов клеточных рецепторов и функционируют в тесной кооперации с регуляторными G-белками. Указанные рецепторы встречаются у всех представителей эукариот и отличаются широкой функциональной специализацией. Например, в организме человека с ними взаимодействуют нейромедиаторы, гормоны, факторы роста и другие биологически активные соединения. Указанные рецепторы входят также в состав зрительного, обонятельного и вкусового анализаторов. Однако, несмотря на большое функциональное разнообразие рецепторов, сопряженных с G-белками, все они имеют сходную структуру. Типичный рецептор представляет собой интегральный белок, который состоит из одной полипептидной цепи, пронизывающей липидный бислой плазматической мембраны семь раз. Такие белки называют «серпантинными». N- концевой участок полипептидной цепи рецептора находится на наружной стороне мембраны, а домен, содержащий карбоксильную группу - на внутренней.

Рецепторы, сопряженные с G-белками, чаще всего передают сигнал путем активации или инактивации определенных ферментов (например, аденилатциклазы, фосфолипазы С) или ионных каналов, связанных с плазматической мембраной. При этом взаимодействие между рецептором и ферментом или ионным каналом осуществляется не прямым путем, а опосредованно через регуляторные белки, которые получили название гуанилат- связывающих регуляторных белков или G-белков. Указанные белки состоят их трех субъединиц (G_Y, G_β, G_a) и имеют центры связывания гуаниловых нуклеотидов: гуанозиндифосфата (ГДФ) и гуанозинтрифосфата (ГТФ) и обладают собственной фосфатазной активностью, позволяющей им гидролизовать ГТФ до ГДФ. Благодаря этому G-белки способны функционировать как «выключатели» Если с G-белком связан ГТФ, то это соответствует его активированному состоянию (G- ГТФ), т.е. положению "включено". Если в нуклеотид связывающем центре G-белка присутствует ГДФ, то такая его форма (G- ГДФ) неактивна, что соответствует положению "выключено".

Рецепция и инициация проведения сигнала с участием рецепторов, сопряженных с G-белками, осуществляется в несколько этапов.

Сигнальная молекула, например гормон, связываясь с рецептором, индуцирует его активацию (этап I) Активированный рецептор вызывает изменение конформации G-белка, обмен ГДФ, связанного с G-белком, на присутствующий в среде ГТФ и диссоциацию субъединиц G-белка (этапы II-III). После этого активированная альфа субъединица G-белка, диффундирует в плоскости плазматической мембраны и, взаимодействуя с ферментом, активирует его (этап IV). Спустя некоторое время, благодаря собственной гуанозин фосфатазной активности G-белка, связанный с указанным белком ГТФ гидролизуется до ГДФ. В результате альфа субъединица G-белка становится неактивной, отделяется от фермента и связывается с другими субъединицами G-белка c образованием его исходной тримерной неактивной структуры ( этап V).

Рецепторы, сопряженные с G- белками, могут не только активировать соответствующие ферменты, но и инактивировать их. При этом, сопряжение рецептора с G- белком позволяет не только усиливать передаваемый сигнал, так как одна молекула G-белка способна активировать или инактивировать много молекул фермента, но и осуществлять тонкую регуляцию работы рецептора.

Каталитические рецепторы в отличие от рецепторов, сопряженных с G-белками, обладают собственной ферментативной активностью. К наиболее изученным каталитическим рецепторам относятся тирозин-киназные рецепторы.

Каталитический домен таких рецепторов располагается с внутренней стороны цитоплазматической мембраны и функционирует как тирозинкиназа - фермент, который переносит фосфатные группы от АТФ на гидроксильную группу тирозиновых остатков белков. В неактивном состоянии тирозин–киназный рецептор обычно состоит из двух отдельных полипептидных цепей, имеющих сходное строение, цитоплазматические домены которых обладают ферментативной активностью. Связывание сигнальной молекулы, например, фактора роста, с рецептором вызывает агрегацию двух полипептидных цепей с образованием димерного белка. Одновременно с этим осуществляется перекрестное автофосфорилирование тирозиновых остатков цитоплазматических доменов рецепторного белка и его активация. Сигнальные системы с участием тирозинкиназных рецепторов играют большую роль в регуляции метаболизма, роста, деления и дифференцировки клеток. Например, в организме человека с тирозинкиназными рецепторами связываются, многочисленные факторы роста, гормон инсулин, цитокины и другие биологически активные соединения.

Передача сигнала от рецепторов клеточной поверхности, как правило, осуществляется с участием нескольких релейных белковых молекул, составляющих основу сигнал передающих путей. В многоступенчатом процессе передачи сигнала активированный рецептор, изменяет конформацию и биологическую активность взаимодействующих с ним белков–посредников и далее, сигнал, подобно падающему домино, передается другим релейным молекулам, последовательно активируя их, и достигая, в конце концов, эффекторных белков, реализующих ответную реакцию клетки. Таким образом, передача сигнала от рецепторов клеточной поверхности к эффекторным молекулам включает цепь молекулярных взаимодействий релейных белковых молекул, которые сопровождаются специфическими изменениями их конформации и биологической активности.

Многие релейные белки, участвующие в проведении сигнала от рецепторов клеточной поверхности к эффекторным белкам представляют собой протеинкиназы-ферменты, которые переносят фосфатную группу от молекул АТФ на другие белковые молекулы, в результате чего биологическая активность фосфорилированных белков изменяется. Цитоплазматические протеинкиназы, участвующие в передаче сигнала в клетке, отличаются высокой специфичностью по отношению к своему субстрату, благодаря чему достигается «адресное» фосфорилирование только определенных белков. Часто в процессе передачи сигнала после фосфорилирования и активации одной протеинкиназы следуют повторяющиеся друг за другом реакции фосфорилирования других протеинкиназ, что приводит к образованию каскада реакций фосфорилирования . Наряду с протеинкиназами большую роль в передаче сигналов играют ферменты протеинфосфатазы, которые быстро удаляют фосфатные группы от белков. Этот процесс получил название дефосфорилирования. За счет дефосфорилирования протеинфосфатазами белков, ранее фосфорилированных протеинкиназами, достигается переход их из активного в исходное неактивное состояние, что делает возможным проведение нового сигнала от рецептора. Таким образом, в каждый данный момент активность релейных белков, регулируемых фосфорилированием, зависит от баланса активности ферментов протеинкиназ и протеинфосфатаз. Благодаря этому система, обеспечивающая фосфорилирование и дефосфорилирование белков в клетке, действует как «молекулярный выключатель», который активирует или инактивирует релейные белки, участвующие в проведении сигнала.

Каскад реакций фософорилилирования с участием митогенактивируемых протеинкиназ характерен для сигнальных путей, идущих от тирозинкиназных рецепторов, с которыми связываются разнообразные факторы роста..

В передачу сигнала в таких сигнальных системах кроме митогенактивируемых протеинкиназ вовлекаются так называемые Ras –белки. Указанный белок представляет собой мономерную ГТФазу, связанную с внутренней стороной цитоплазматической мембраны. Подобно G- белкам Ras –белок может находиться в активной и неактивной форме. В активной форме с Ras –белком связан ГТФ, в неактивной – ГДФ. Функциональное состояние Ras белка регулируется двумя белками. Один из них, получивший название SOS- белка, при взаимодействии с Ras белком стимулирует замещение в нем ГДФ на ГТФ, в результате чего Ras белок активируется. Второй белок, называемый Grb белок при взаимодействии с Ras белком, уcиливает его гуанозинфосфатазную активность и, тем самым, способствует переходу Ras белка в неактивную форму, в которой он находится в обычных условиях.

Связывание фактора роста с тирозинкиназным рецептором вызывает автофосфорилирование тирозинкиназного домена рецепторного белка и его активацию. В результате рецептор присоединяет специфический адапторный Grb белок, и активирует SOS белок, который стимулирует замену в Ras-белке АДФ на ГТФ. Активированный Ras-белок инициирует каскад реакций фосфорилирования с участием цитоплазматических митогенактивируемых протеинкиназ (МАПККК; МАПКК; МАПК), результатом чего служит изменение экспрессии генов, контролирующих клеточную пролиферацию.

Указанный механизм регуляции деления клеток действует у организмов, находящихся на разных уровнях организации (червей, насекомых, млекопитающих и др.).

Во многих сигнальных путях, идущих от рецепторов клеточной поверхности, в проведении сигнала, наряду с белками, участвуют малые небелковые молекулы и ионы, которые получили название вторичных посредников или вторичных мессенджеров. Эти молекулы, благодаря своим малым размерам и хорошей растворимости в воде, быстро диффундируют в цитоплазме клетки и, действуют как аллостерические эффекторы- присоединяясь к определенным белкам, изменяют их конформацию и биологическую активность. К наиболее распространенным вторичным посредникам относятся циклический аденозин монофосфат (цАМФ) и ионы Са²⁺.

Циклический аденозин монофосфат в клетках животных и человека синтезируется из АТФ ферментом аденилатциклазой, связанным с плазматической мембраной клетки, и быстро расщепляется цАМФ-фосфодиэстеразами до аденозин-5'-монофосфата.

Процесс проведения сигнала с участием цАМФ впервые был изучен при действии адреналина на клетки печени животных и человека.

Связывание адреналина с рецептором, сопряженным с G –белком, активирует фермент аденилатциклазу. Этот фермент превращает аденозин трифосфат (АТФ) в циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). В результате концентрация цАМФ в клетке быстро возрастает. Образовавшийся цАМФ активирует протеинкиназу А, которая фосфорилирует другой фермент киназу фосфорилазы. Киназа фосфорилазы, в свою очередь, фосфорилирует и, тем самым,активирует фермент гликогенфосфорилазу, катализирующий реакцию деполимеризации гликогена с образованием глюкозо-1 –фосфата. Активированная протеинкиназа А фосфорилирует также фермент гликогенсинтетазу, катализирующий последний этап в реакциях синтеза гликогена из глюкозы. Это приводит к потере активности указанного фермента и к прекращению синтеза гликогена. В отсутствии гормона, концентрация цАМФ в клетке быстро снижается, так как указанный циклический нуклеотид под действием фермента фосфодиэстеразы превращается в аденозин монофосфат – соединение лишенное какой-либо биологической активности.

Таким образом, действие адреналина на клетки печени сопровождается усилением распада и прекращением синтеза гликогена, что способствует максимальной мобилизации энергетических ресурсов организма в условиях стресса.

Ионы Са²⁺ в качестве вторичных посредников в сигнальных системах используются даже чаще чем цАМФ. В обычных условиях концентрация указанных ионов в цитозоле клетки примерно в 10000 раз меньше, чем в окружающей клетку среде. Столь низкая концентрация ионов Са²⁺ в цитозоле связана с активным транспортом их Са²⁺ - насосами из цитозоля в окружающую среду, а также в полость эндоплазматического ретикулума и матрикс митохондрий. Другая важная особенность ионов Са²⁺, как вторичных посредников, связана со способностью указанных ионов связываться с различными внутриклеточными белками и изменять их биологическую активность. Благодаря этому ионы Са²⁺ участвуют в регуляции самых разнообразных проявлений клеточной активности: метаболизма, секреции, пролиферации и др.

В сигнальных системах, в которых в качестве вторичного посредника используются ионы Са⁺⁺_, в механизме проведения сигнала участвуют два других посредника: инозитолтрифосфат и диацилглицерол. В клетках животных эти посредники образуются из мембранного липида фосфатидилинозитол-4,5 дифосфата, под действием фермента фосфолипазы С, связанного с плазмалеммой клетки.

В общей форме механизм проведения сигнала от рецепторов клеточной поверхности с участием ионов кальция осуществляется следующим образом.

Взаимодействие сигнальной молекулы с поверхностным рецептором приводит к активации фермента фосфолипазы С, связанного с плазмалеммой клетки. В результате этого расположенный во внутреннем слое цитоплазматической мембраны фосфатидилинозитол-4,5 дифосфат под действием фосфолипазы С гидролизуется с образованием двух вторичных посредников: инозитолтрифосфата и диациглицерола и далее путь передачи сигнала разделяется на две ветви.

Инозитолтрифосфат быстро диффундирует из мембраны в цитоплазму и связывается с кальциевыми каналами, встроенными в мембрану эндоплазматического ретикулума. В результате чего кальциевые каналы открываются, и ионы Са²⁺ по градиенту концентрации выходят из полости эндоплазматического ретикулума в цитозоль. Увеличение концентрации ионов Са²⁺ в цитозоле и их связывание с Са²⁺-связывающими белками инициирует многие ответные реакции клеток: секрецию, клеточное деление, мышечное сокращение и др.

После освобождения рецептора от сигнальной молекулы инозитолтрифосфат, связанный с кальциевыми каналами эндоплазматического ретикулума, отсоединятся от указанных ионных каналов, в результате чего они закрываются. Имеющийся в цитозоле избыток ионов Са²⁺ удаляется из него с помощью АТФ-зависимых Са²⁺-насосов, встроенных в мембрану эндоплазматического ретикулума и плазмалеммы. Благодаря указанным механизмам, активность инозитолтрифосфата и высокая концентрация ионов Са²⁺сохраняются в клетке лишь в течение короткого времени, необходимого для проведения сигнала.

Диацилглицерол, образующийся в результате гидролиза фосфатидилинозитол-4,5 дифосфата, в отличие от инозитолтрифосфата, сохраняет связь с плазмалеммой и потенциально способен выполнять две функции. Одна из них связана с распадом диацилглицерола под действием ферментов с образованием арахидоновой кислоты, необходимой для синтеза простагландинов и других эйкозаноидов, инициирующих многие ответные реакции клетки. Вторая функция диацилглицерола заключается в активации в присутствии ионов Са²⁺, фермента протеинкиназы С, который участвует в регуляции многих клеточных процессов: деления, секреции, транспорта и др.

Механизм проведения сигнала от поверхностных рецепторов, реализуемый несколькими релейными молекулами, обеспечивает более совершенную регуляцию ответных реакций клеток на действие различных сигнальных молекул, чем простая передача сигнала без посредников. Благодаря указанному механизму, достигается значительное усиление сигнала и, следовательно, ответной реакции клетки. Это обусловлено тем, что на каждом последующем этапе, на пути передачи сигнала, активируется значительно больше молекул посредников, чем на предыдущем. Например, связывание одной молекулы адреналина с рецептором клетки печени приводит к образованию в ней нескольких млн. молекул глюкозо- -1 фосфата.