Злокачественная миастения. Лекция тема: Регуляция обмена веществ. Биохимия гормонов

Ф КГМУ 4/3-04/01

ИП № 6 УМС при КазГМА

от 14 июня 2007 г.

КАРАГАНДИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра биологической химии


ЛЕКЦИЯ

Тема: Регуляция обмена веществ. Биохимия гормонов


Дисциплина Биологическая химия

Специальность 051301 - Общая медицина

Курс II

Время (продолжительность) 50 минут

Караганда 2009г.


Утверждена на методическом совещании кафедры

от "____"__________2008 г, Протокол №_____

Зав.кафедрой, профессор ______________ Л.Е. Муравлева


Цель лекции: ознакомить студентов с механизмами действия гормонов через каталитические и липофильные рецепторы


План лекции:

Общая характеристика механизмов действия гормонов

Механизм передачи гормонального сигнала через плазматические рецепторы

Механизм передачи гормонального сигнала через каталитические рецепторы

Механизм передачи гормонального сигнала через липофильные рецепторы


Механизмы действия гормонов. Существуют два основных механизма действия гормонов на уровне клетки: реализация эффекта с наружной поверхности клеточной мембраны и реализация эффекта после проникновения гормона внутрь клетки.

Биологический эффект гормонов, взаимодействующих с рецепторами, локализованными на плазматической мембране, осуществляется с участием вторичного передатчика, называемого посредником или мессенджером.

В зависимости от того, какое вещество выполняет его функцию, гормоны можно разделить на следующие группы:

1) гормоны, оказывающие биологический эффект с участием циклического аденозинмонофосфата (цАМФ). К ним относятся глюкагон, лютеинизирующий гормон, фолликулостимулирующий гормон, тиростимулирующий гормон, кальцитонин, паратиреоидный гормон, антидиуретический гормон, адреналин, норадреналин;

2) гормоны, осуществляющие свое действие с участием циклического гуанидинмонофосфата (цГМФ); оксид азота

3) гормоны, опосредующие свое действие с участием в качестве внутриклеточного вторичного мессенджера ионизированного кальция или фосфатидилинозитидов (инозитолтрифосфат и диацилглицерин) или обоих соединений; К ним относятся антидиуретический гормон, адреналин, норадреналин, ангиотензин II, гонадотропин-рилизинг гормон или люлиберин, тиролиберин

4) гормоны, оказывающие свое действие путем стимулирования каскада киназ и фосфатаз.

К ним относятся инсулин, пролактин, эритропоэтин

Но это деление очень условно. В зависимости от типа рецептора один и тот же гормон может передавать сигнал через различные мессенжеры. Например, при взаимодействии адреналина с 2 – рецептором в передаче сигнала участвует цАМФ. При взаимодействии адреналина с 1 – рецептором в передаче сигнала участвует ионизированный кальций и фосфатидилинозитиды.

Белково-пептидные гормоны подвергаются протеолизу, распадаются до отдельных аминокислот. Эти аминокислоты вступают дальше в реакции дезаминирования, декарбоксилирования, трансаминирования и распадаются до конечных продуктов: NH3, CO2 и Н2О.

Гормоны - производные аминокислот подвергаются окислительному дезаминированию и дальнейшему окислению до СО2 и Н2О. Стероидные гормоны распадаются иначе. В организме нет ферментных систем, которые обеспечивали бы их распад. Поэтому в основном происходит модификация боковых радикалов. Вводятся дополнительные гидроксильные группы. Гормоны становятся более гидрофильными. Образуются молекулы, представляющие собой структуру стерана, у которого в 17-м положении находится кетогруппа. В таком виде продукты катаболизма стероидных половых гормонов выводятся с мочой и называются 17-кетостероиды.

Инактивация гормонов происходит в эффекторных органах, в основном в печени.

Биохимический рецептор - структура живой клетки, как правило молекула белка, имеющая высокую степень сродства к определенным веществам – лигандам. Связывание лиганда с рецептором основано на том, что конформация какого-то участка молекулы гор­мона комплементарна участку молекулы рецептора. Связывание определяется гидрофобными и электростатическими взаимодействиями. В результате образуется комплекс вещество-рецептор. В числе переносчиков информации могут быть нейромедиаторы, гормоны, иммуноглобулины и другие вещества.

Существуют механизмы передачи сигнала а)связанные с поверхностными рецепторами клетки; б)не связанные с поверхностными рецепторами клетки. Первый этап в передаче информации - образование комплекс «лиганд-рецептор». Второй этап в передаче информации - преобра­зование и проведение лигандного сигнала внутрь клетки. Этот процесс называется трансдукцией. Механизмы передачи сигнала, связанные с поверхностными рецепторами клетки. Рецепторы этого семейства относятся к инте­гральным мембранным белкам.

По­верхностные рецепторы имеют три домена.

1. Внеклеточный домен или экто-домен. Содержит уча­сток связывания сигнальной молекулы. Обычно это самая большая часть белкового ре­цептора.

2.Трансмембранный домен, который может быть монотопным или политопным.

3.Цитоплазматический домен. После связывания лиганда активируется именно цитоплазматический домен рецептора. У некоторых рецепторов этот домен обладает ферментативной активностью (например, киназной). У других - внутриклеточный домен сам служит субстратом для других ферментов (например, киназ), которые расположены вблизи него. После связывания с лигандом рецептор фосфорилируется и активируется. У ряда рецепторов цитоплазматический домен может быть связан (ассоциирован) с другими белками, например G-белками.

Существует классификация поверхностных рецепторов. Наиболее хорошо изучено 3 класса этих рецепторов: 1. Рецепторы, сопряженные с G-белками; 2. Рецепторы как ионные каналы; 3. Каталитические рецепторы.

1. Рецепторы, сопряженные с G-белками. Высокоспецифичные ре­цепторы этого семейства реагируют на следующие лиганды: гормоны (адреналин, глюкагон, лютеинизирующий гормон, антидиуретический гормон и т.д.); нейромедиаторы (ацетилхолин т.д.); световые импульсы; летучие пахучие вещества и т.д. Связывание лиганда с рецептором приводит к активации специфических G-белков. За открытие G-белков и изучение их роли в механизме передачи сигнала американские ученые А. Гилман и М. Родбелл в 1994 г. удостоены Нобелевской премии.

Особенности строения рецепторов, сопряженных с G-белками:

N-концевой участок находится на наружной сторо­не клеточной мембраны, белок семь раз про­шивает мембрану, поэтому такие рецепторы назывюется серпантинными рецепторами. Цитоплазматический домен со­держит участки связывания G-белка. Этапы активации G-белка представлены на рисунке.

Более подробно рассмотрим ответ 3 -х форм G-белковых рецепторов на связывание с лигандами на примере гормонов.

3.Последовательность событий, приводящих к активации аденилатциклазной системы. В первом случае молекулярной мишенью, функция которой меняется в ответ на присоединение гормона к рецептору, является аденилатциклаза (аденилатциклазная система).


1.Связывание гормона с рецептором приводит к изме­нению конформации рецептора и увеличению его сродства к G-белку. G-белок состоит из 3 протомеров , G-белка и образует комплекс ГДФ. В результате образуется тройной комплекс гормон - рецептор - G- белок + GDP.

2. Образование этого комплекса снижает сродст­во -протомера G-белка к ГДФ и увеличивает сродство к ГТФ. ГДФ заменяется на ГТФ. Это вызывает диссоциацию комплекса на - субъединица и ГТФ и - димер.

3. - субъединица - ГТФ связывается с аденилатциклазой. Это вызывает изменение ее конформации и актива­цию фермента. В результате увеличивается скорость образования цАМФ из АТФ.

4. Молекулы сАМР могут обратимо соединяться с регуляторными субъединицами протеинкиназы А. Не­активная протеинкиназа А - это тетрамер, состоящий из 2 ка­талитических и 2 регуляторных субъединиц - C2R2.

5. Присоединение сАМР к субъединицам R приво­дит к диссоциации комплекса регуляторных и каталитических субъединиц. Активная форма ПКА - свободные каталитические субъединицы, ко­торые фосфорилирует специфические белки, что вызывает изменение активно­сти белков и регулируемых ими процессов.

6. Связывание - субъединица - ГТФ с аденилатциклазой стимулирует повы­шение ГТФазной активности -протомера.

7. Дефосфорилирование ГТФ в активном центре -протомера снижает его сродство к АЦ и увеличи­вает сродство к - протомерам. В результате происходит объединение трех протомеров G-белка.


В втором случае молекулярной мишенью, функция которой меняется в ответ на присоединение гормона к рецептору, являются CREB -белки.




1.Связывание гормона с рецептором приводит к изме­нению конформации рецептора и увеличению его сродства к G-белку. В результате образуется тройной комплекс гормон - рецептор - G- белок + GDP.

2.Образование этого комплекса снижает сродст­во -протомера G-белка к ГДФ и увеличивает сродство к ГТФ. ГДФ заменяется на ГТФ. Это вызывает диссоциацию комплекса на - субъединица и ГТФ и - димер.

3. - субъединица - ГТФ связывается с аденилатциклазой. Это вызывает изменение ее конформации и актива­цию фермента. В результате увеличивается скорость образования цАМФ из АТФ.

4.Молекулы сАМР могут обратимо соединяться с регуляторными субъединицами протеинкиназы А.

5.Активная форма ПКА (свободные каталитические субъединицы) фосфорилирует специфические белки, называющиеся CREB – белки (cAMP response element binding protein).

6. После фосфорилирования эти белки становятся активными факторами транскрипции, проникают в ядро и связываются со специфическими регуляторными элементами ряда генов и запускают процесс транскрипции.

4.Последовательность событий, приводящих к активации инозитолфосфатной системы.

В третьем случае молекулярной мишенью, функция которой меняется в ответ на присоединение гормона к рецептору, является фосфолипаза С (инозитолфосфатная система).

Последовательность событий, приводящих к активации фосфолипазы С :



Слайд-рисунок 2 Последовательность событий, приводящих к активации фосфолипазы С :


1. Связывание гормона с рецептором приводит к изменению его конформации и увеличению сродства к Gplc (олигомер -субъединицы). ,

2. Образование комплекса [Г] [R] [Gplc -ГДФ) приводит к снижению сродства -протомера Gplc -белка к ГДФ и увеличению сродства к ГТФ. ГДФ заменяется на ГТФ.

3. Это вызывает диссоциацию комплекса [Г] [R] [Gplc -ГДФ) на [Г] [R], - протомер + ГТФ и - димер

4. - протомер + ГТФ взаимодействует с фосфолипазой С и активирует ее. Субстратом этого фермента являет фосфатидилинозитолбисфосфат (ФИФ).

5. В результате гидролиза образуется и выходи в цитозоль гидрофильное вещество инозитол - 3 фосфат. Другой продукт этой реакции диацилглицерин (ДАГ), остается в мембране и участвует в активации фермента протеинкиназы С (ПКС).

6. Инозитол-3-фосфат связывается специфическими центра­ми Са-канала мембраны ЭР. В результате чего изменяется конформация и он открывается. Са 2+ поступает в цитозоль. В отсутствие в цитозоле инозитол-3-фосфата канал закрыт.

7. Повышение концентрации Са2+ в цитозоле клетки приводит к его взаимодействию с 1. с неактивным цитозольным ферментом протеинкиназой С. 2. с белком кальмодулином.

Иными словами, сигнал принятый рецептором клетки, раз­дваивается.

8 Взаимодействие с ПНС Са2+ приводит к изменению конформации фермента: к уве­личению сродства центров связывания фермента к липидам клеточной мембраны - ДАГ и фосфатидилсерину (ФС). На внутренней стороне мемб­раны образуется форменный комплекс - [ПКС] [Са2+] [ДАГ] [ФС] - активная протеинкиназа С, которая меняет активность специфических фер­ментов, фосфорилируя их по серину и треонину.

9. В клетках тканей присутствует белок кальмодулин, который функционирует как внутриклеточный рецептор Са2+, он имеет 4 центра для свя­зывания Са2+. Комплекс [кальмодулин] [4Са2+] не обладает ферментативной активностью, но взаимодействие комплекса с различными белка­ми и ферментами приводит к их активации.

10. Для снижения концентрации Са2+ в клетке до исходного уровня работают системы Са2+-АТРаз и транслоказ (антипорт).

11. Присутствующий в цитозоле ИФ-3 и ДАГ в мембране могут в результате серии реакций опять превращаться в ФИФ. Активная ПКС стимулирует образование ФИФ.




5.Рецепторы как ионные каналы.

Связывание лиганда с рецепторным белком канала вызывает открытие капала, приводящее к входу или выходу необходимых ионов. Все известные ионные каналы могут находиться в двух конформационных состояниях:

1. канал открыт и ионы перемещаются по гра­диенту концентрации;

2. канал закрыт и не пропускает ионы.

Особенности строения ионных каналов. Мембранные белки ионных каналов состоят из четырех субъединиц (I-IV), каждая из которых включает шесть альфа - спиральных доменов, пронизы­вающих клеточную мембрану. Кроме того, N- и С-концы обоих каналов находятся в цитоплазме (рис.9).

Выделяют четыре типа ион­ных каналов в зависимости от стимула, регулирующего их открытие и закрытие (рис.10). Кальциевые каналы отно­сятся к каналам, управляемым лигандом. Ионный канал открывается благодаря энергии связывания с лигандом (А). В каналах, управляемых фосфорилированием (Б), от­крытие происходит благодаря присоединению к ним высокоэнергетического фосфата. Каналы, управляемые электрически (В), открываются при изменении мембранного электрического потенциала. Механически управляе­мые каналы открываются в ответ на растяжение или дав­ление на мембрану клетки и цитоскелет (Г).

Активность разных каналов может изменяться также под воздействием не только метаболических факторов, но токсинов и лекарственных веществ. Некоторые иммунные заболевания, такие как злокачественная миастения, возникают в результате выработки спе­цифических антител против канальных белков.




Слайд –рисунок 3 Строение рецепторов как ионных каналов


А. Управляемый лигандом

Б. Управляемый фосфорилированием

В. Управляемый электрически

Г. Управляемый механически



6.Каталитические рецепторы: особенности строения и проведения сигнала.

Их достаточно много. Эти рецепторы обладают ферментативной активностью. Примером является трансмембранный каталитический рецептор инсулина, обладающий ферментативной активностью. Рецептор инсулина представляет собой тирозиновую протеинкиназу (ТП), т.е. протеинкиназу, фосфорилирующую белки по OH-группам тиро­зина.




Слайд-рисунок 4 Каталитический рецептор

Рецептор состоит из 2 и 2 -субъединиц, связанных дисульфидными связями и нековалентными взаимодействиями. Вне мембраны находятся -субъединицы. Центр связывания инсулина образуют N-концевые домены -субъединиц, а -субъединицы пронизывающие мембранный бислой, не участвуют в связывании инсулина. Каталитический центр тирозиновой протеинкиназы находится на внутриклеточных доменах -субъединиц. Присоединение инсулина к центру связывания на -субъединицах единицах активирует фермент, причем субстратам служит сама ТП, т.е. происходит аутофосфорилирование: Фосфорилируются -субъединицы по нескольким тирозиновым остаткам. Это, в свою очередь, приводит к изменению субстратной специфичности ТП; теперь она способна фосфорилировать другие внутриклеточные белки. Активация и изменение специфичности обусловлена информационными изменениями рецептора ин­сулина после связывания инсулина и аутофосфорилирования. Фосфорилирование внутриклеточных белков, участвующих в регуляции клеточных процессов, меняет их активность.

6.Липофильные рецепторы..Особенности строения. Этапы передачи сигнала.

Механизм передачи сигнала, не связанный с поверхностными рецепторами клетки.

К рецепторам, не связанным с поверхностью клетки, относится семейство липофильных рецепторов.

Лигандами этого семейства являются:

• стероиды, например, глюкокортикоиды, минералокортикоиды и половые стероиды;

• тиреоидный гормон, тироксин;

• витамин D и ретиноиды, большая группа молекул, струк­турно родственных витамину А

Эти лиганды достаточно липофильны для того, чтобы пройти через липидный бислой и войти в цитозоль. Пустые рецепторы этого семейства часто находятся в цитозоле, где образуют комплексы с другими белками, или на ядерной мембране.

Строение цитоплазматического рецептора. Цитозольные рецепторы находятся в составе крупных белковых комплексов - шаперонов. Эти рецепторы тоже обладают тремя функциональными доменами: С-концевой домен связывает гор­мон, центральный домен связывается с короткой специфической областью ДНК в области промотора, N- концевой домен связывается с другими факторами транскрипции.

Этапы передачи сигнала с помощью внутриклеточных рецепторов (на примере стероидных гормонов).




Слайд-рисунок 5 Этапы передачи сигнала с помощью внутриклеточных рецепторов

Связывание гормона с рецептором приводит к высвобождению шаперонов, затем гормон -рецепторный комплекс транспортируется в ядро и связывается со специфическими последовательностями ДНК - энхансером или сайленсером. Увеличивается (при взаимодействии с энхан­сером) или уменьшается (при взаимодейст­вии с сайленсером) сродство промотора к РНК-полимеразе. Соответственно увеличивается или умень­шается скорость транскрипции структурных генов. Увеличивается или уменьшается скорость трансляции. Изменяется количество белков, которые мо­гут влиять на метаболизм и функциональное состояние клетки. Эффекты гормонов, которые передают сигнал на внутриклеточные рецепторы, нельзя наблю­дать сразу, так как на матричные процессы - транскрипцию и трансляцию - требуется не­сколько часов.



Литература:

1.Биохимия. Учебник /под ред. член – корр РАН, проф. Е.С. Северина – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2003.- 784 с

2. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека: В 2-х томах. Т. 2. Пер. с англ: - М.: Мир, 1993. - 384с.