Клеточная сигнализация затрагивает все стороны биологии клетки Клеточные пути сигнализации регулируют Клеточный цикл - пролиферация Цитоскелет- миграция клеток Транскрипцию - дифференцировка Перемещение мембран - экзоцитоз Выживание и смерть - апоптоз Развитие - формирование организма
Сигнальный путь это C интез сигнальной молекулы (2) Выделение сигнальной молекулы (3) Транспорт сигнальной молекулы к клетке – мишени (4) Взаимодействие со специфическим рецептором (5) Инициация внутриклеточного пути переноса сигнала (6) Изменение метаболизма, функции или развития клетки-мишени (7) Выключение действия сигнала
Внутриклеточный сигнальный путь – это множество участников: Белки -рецепторы Белки-реле Белки-адапторы Белки- структурные организаторы Белки- усилители и преобразователи Белки – интеграторы Белки –посредники……. Но не только белки, а и нуклеотиды, аминокислоты, жирные кислоты, ионы кальция и другие маленькие молекулы
Откуда пошли сигналы Лиганды-сигналы – это побочные продукты метаболических путей, означавших избыток или недостаток источников питания Рецепторы и регуляторные белки были отобраны в процессе эволюции. В пользу этого говорит высокий консерватизм у разных видов живого в строении и функциях многих сигнальных путей
Что мы уже знаем о сигналах?
Что предстоит узнать
Все сигналы можно разделить на липофильные и гидрофильные Липофильные молекулы, взаимодействуют с внутриклеточными рецепторами ( стероиды, ретиноиды, NO и др. ) Гидрофильные молекулы, взаимодействуют с поверхностными рецепторами ( нейромедиаторы, пептидные гормоны и факторы роста, цитокины ) Некоторые липофильные молекулы могут взаимодействовать с поверхностными рецепторами ( простагландины и лейкотриены ) Факторы внешней среды, взаимодействуют с поверхностными рецепторами ( свет, одоранты )
Большинство гидрофильных молекул - сигналов синтезируется и хранится в секреторных везикулах Секреция их часто регулируется ионами [Ca ] 2+ Гидрофобные сигналы высвобождаются по мере их образования Время полужизни гидрофобного сигнала определяет продолжительность хронического эндокринного ответа или преходящего паракринного ответа.
Липофильные сигналы проникают в клетку Часто активируют гены Медленный ответ Гидрофильные сигналы не проникают в клетку Их рецепторы на поверхности клетки Быстрый ответ Рецептор
Некоторые пути обмена сигналами
Классификация мол e кул-сигналов Сигнальные молекулы, построенные из аминокислот Сигналы - сложные белки (тиреотропин, гонадотропины) Сигналы - простые белки (соматотропин, инсулин ) Сигналы- пептиды ( глюкагон, кортикотропин, факторы роста, цитокины ) 2. Производные аминокислот (адреналин, серотонин, тироксин, мелатонин) 3. Стероиды (производные холестерола и других полиизопренов) (альдостерон, кортизол, ретиноевая кислота, витамин Д) 4. Эйкозаноиды ( производные 20-углеродных, полиненасыщенных жирных кислот) (простагландин Е1, тромбоксан А2). Сигналы можно разделить по месту образования, растворимости в воде и неполярных растворителях и по другим критериям
Сигналы, построенные из аминокислот
Сигналы – производные аминокислот тирозина : Тироксин, трииодтиронин адреналин, норадреналин триптофана -серотонин -мелатонин
Стероиды (производные холестерола и других полиизопренов)
Производные С20 ненасыщенных жирных кислот (эйкозаноиды )
Механизмы синтеза сигнальных молекул определяются их химической структурой
Синтез производных холестерола Ацетил-КоА
Синтез производных арахидоновой кислоты см. лекции по обмену липидов.
Сигналы: активные формы кислорода (АФК) Источники : Дыхательная цепь митохондрий Микросомальное окисление ( цитохромы Р450 и b 5) Мембранные ферменты- липооксигеназы, МАО и другие оксидазы пероксисом, НАДФН оксидазы и др
Сигналы: AGE (advanced glycation end products) Конечные продукты гликирования белков
Оксид азота (NO) образуется из аргинина Фермент синтаза оксида азота (NOS) содержит четыре кофермента –ФАД, ФМН, гем и тетрагидроптерин и катализирует обе стадии этой реакции NO – короткоживущий посредник (мессенжер), участвующий в регуляции артериального давления, свертывания крови и проведения нервных импульсов. NO связывается с гуанилатциклазой и активирует образование цГМФ вторичного посредника сигнальных систем клеток.
Свойства сигналов Плейотропия – один и тот же сигнал действует на разные клетки, имеющие разные функции Избыточность – разные сигналы оказывают одинаковый эффект Синергичность – сигналы усиливают действие друг друга Антагонизм – сигналы уменьшают действие друг друга Каскадная индукция – значительное увеличение эффективности сигнала –одни сигналы индуцируют образование других
Особенности сигнальной регуляции Концентрация сигналов во внеклеточной жидкости низкая - от 10 -15 до 10 -9 моль/л, а концентрация многих подобных по структуре молекул (стерины, аминокислоты, пептиды, белки) и других молекул во внеклеточной жидкости во много раз больше - от 10 -5 до 10 -3 моль/л. Поэтому клетки - мишени должны уметь не только различать разные сигнальные молекулы, но и отличать их от структурно схожих молекул, присутствующих в 10 6 -10 9 -кратном избытке. Такая высокая степень разрешающей способности обеспечивается специальными молекулами узнавания, названными рецепторами.
Рецепторы можно разделить на две большие группы – рецепторы, встроенные в плазматическую мембрану (наиболее распространенная группа) и внутриклеточные рецепторы (цитозольные и ядерные) Рецепторы первой группы по способу организации их в мембране разделяют на : 7-ТМС -рецепторы 1-ТМС-рецепторы(наиболее разнообразная группа) Рецепторы - ионные каналы
1. 7-ТМС-рецепторы или R, ассоциированные с тримерными G- белками 2. 1-ТМС -рецепторы a) R, не обладающие каталитической активностью, но ассоциированные с цитозольными тирозинкиназами. b) R, обладающие каталитической активностью ( тирозинкиназы, гуанилатциклазы, протеинфосфатазы, серин/треонин киназы, и др) c) R – молекулы клеточной адгезии d) R, ассоциированные с процессами протеолиза 3.R – лигандзависимые ионные каналы ( рецептор ацетилхолина, глутамата и др. ) 4. Цитозольные и ядерные R. Молекулы – рецепторы ( R )
Рецепторы встроены в специальные участки мембран: рафты(«плоты» )
Рис. справа Кавеолин (голубой цвет) Рафты могут быть встроены в кавеолы
В создании внутриклеточных путей передачи сигнала важную роль играют реакции фосфорилирования Фосфорилирование меняет функцию белков путем их аллостерической модуляции или изменяя их способность взаимодействовать с другими молекулами Фосфатная группа (PO 4 ) присоединяется к одной или нескольким аминокислотам белка (наиболее часто Сер, Тре, Тир) Ферменты, катализирующие фосфорилирование белков называются протеинкиназами Фосфорилирование обратимо – у каждой киназы – своя фосфатаза.
Одна из задач внутриклеточного переноса сигнала – усиление сигнала Механизмы усиления сигнала зависят от типа рецептора : В системе усиления сигналов 7-ТМС-рецепторами усиление достигается синтезом небольших молекул- вторичных посредников В системе усиления сигналов 1-ТМС-рецепторами усиление достигается при помощи специальных каскадов ферментов В системе усиления сигналов рецепторами –ионными каналами усиление достигается увеличением концентрации ионов в цитозоле Ядерные рецепторы после соединения с сигналами регулируют синтез белков –эффекторов У каждого рецептора - как минимум два домена: Домен, обеспечивающий специфическое узнавание сигнала Домен, обеспечивающий связь с системой усиления сигнала
1. 7-ТМС-рецепторы или рецепторы, ассоциированные с тримерными G- белками Среди мембранных рецепторов это наиболее распространенная группа рецепторов (>1% генома ). Они построены из общей центральной структуры, образованной 7 трансмембранными спиральными доменами. 7-ТМС- рецептор в 3 D форме 7-ТМС- рецептор в плоскости мембраны
Тримерный белок ( a, b и g ) Мономерный белок( RAS- Ra t S arcome ) При связывании с рецептором меняет ГДФ на ГТФ и диссоциирует на a и bg субъединицы Меняет ГДФ на ГТФ при помощи белков GEF(guanine exchange factor) Семейства Ras:Rho,Arf,Rab,Ran Связывается прямо с рецептором Непосредственно не связывается с рецептором Участвует в образовании вторичных посредников цАМФ, ДАГ, Са2+ Участвует в активировании МАПкиназ Являются ГТФазами, обменивают ГДФ на ГТФ, при этом переходят в активное состояние, специальный белок GAP повышает их ГТФ азную активность. Связаны с мембранами при помощи липидных якорных молекул
Механизм работы 7-ТМС рецептора В зависимости от клеток фермент- эффектор (Е) – это: Аденилатциклаза ( G s ) или ( G i ) Ca 2+, Na +, Cl - ( G s ) или K + каналы ( G i ) Фосфолипаза С b ( G s ) цГМФ - фосфодиэстераза ( G s ) ( G s ) – белок G активирует фермент или канал ( G i ) - белок G ингибирует фермент или канал
Вариант I Е – это аденилатциклаза - мембранный белок, катализирующий образование цАМФ из АТФ. Изменяет свою активность при контакте с a -субъединицей G - белка.
Сигналы, которые активируют образование цАМФ: АКТГ, АДГ, кальцитонин, кортиколиберин, ФСГ, ЛГ, глюкагон, ТСГ, паратирин, адреналин ( b - адренэрг. рецепторы) Эти сигналы работают с G(s) белками Сигналы, которые тормозят образование цАМФ: ацетилхолин, адреналин ( a 2 адренэрг. рецепторы), ангиотензин II, соматостатин. Эти сигналы работают с G(i) белками
Механизм действия вторичных посредников и еще раз к роли протеинкиназ
Еще один вариант работы 7 ТМС рецептора Вариант II Е – это фосфолипаза С b ФлС b
Фосфолипаза С b - мембранный белок, катализирующий гидролиз фосфатидил инозитолфосфата с образованием ДАГ и инозитол трифосфата (ИФ3). Изменяет свою активность при контакте с a -субъединицей G белка.
CaBPs - белки, связывающие кальций
EF-hand - белки : Названы по форме, образуемой E и F - спиралями Ca ++ - связывающего домена ; высокое сродство к кальцию Кальмодулин : синтезируется всеми клетками ; связывает 4 иона Ca ++ ; действует путем активирования или протеинкиназ (CaMK) или протеин фосфатаз ( кальциневрин ); активирует ц AM Ф фосфодиэстеразу (более 100 разных белков связаны с кальмодулином)
Ферменты, активируемые калмодулином Аденилатциклаза Ca 2 + - зависимая протеинкиназа Ca 2+ -Mg 2+ A ТФаза Ca 2 + - фосфолипидзависимая протеинкиназа Фосфодиэстераза циклических нуклеотидов Некоторые белки цитоскелета Ионные каналы ( L- тип Са2+ канал ) NO синтаза Киназа фосфорилазы Фосфопротеинфосфатаза 2В Некоторые рецепторы ( NMDA- тип глутаматного рецептора)
А что ДАГ? Или может стать субстратом для получения арахидоновой кислоты, необходимой для синтеза простагландинов
Примеры вторичных посредников, образуемых с участием 7-ТМС рецепторов OH OH HO OPO 3 2- OPO 3 2- OPO 3 2- Ca 2+ цАМФ цГМФ И3Ф ДАГ
2. 1-ТМС-рецепторы, не обладающие каталитической активностью, но ассоциированные с цитозольными тирозинкиназами Эти рецепторы открывают серию рецепторов, для которых лиганд –сигнал димеризации – образования димеров. Два рецептора вместе становятся активными участниками переноса сигнала внутрь клетки. Рецепторы, связывающие внутриклеточные тирозинкиназы уважаемы многими цитокинами
SH2 и PTB связывают участки с фосфотирозином SH3 и WW связывают участки богатые пролином PDZ домен связывается с гидрофобными аминокислотами C- концов PH связывается с разными фосфатидилинозитолами FYVE домены связывают фосфатидилинозитол 3- фосфат ) Специальные домены – инструмент связи между молекулами
Сигнальный путь с участием цитокина JAK: Янус киназа STAT: Signal transducer and activator of transcription
3. Рецепторы, обладающие каталитической активностью Тирозинкиназы : рецепторы, фосфорилирующие тирозины молекул переноса сигнала. Тирозинфосфатазы : рецепторы, удаляющие фосфатные группы, связанные с тирозином. Лиганд их неизвестен. Серин / треонин киназы : рецепторы, фосфорилирующие Сер или Тре молекул переноса сигнала. 4. Гуанилатциклазы : рецепторы, катализирующие образование цГМФ 5. Рецепторы, асоциированные с гистидинкиназой : фофорилируют свой гистидин и затем быстро переносят фосфат на другие молекулы
Рецепторные тирозинкиназы (РТК) Подобно предыдущему классу эти рецепторы димеризуются (исключение составляют рецепторы инсулина и инсулиноподобных факторов роста (ИФР)
Соединение с лигандом Фосфорилирование СИР Присоединение ФИ-3К Образование ФИФ3 Присоединение PDK PDK фосфорилирует ПкВ и ПкС z ПкВ фосфорилирует и ингибирует К3-ГС, при этом Гликогенсинтаза становится активной ПкС z и ПкВ фосфорилируют “ неведомые ” белки, участвующие в перемещении ГЛЮТ4 к мембране 1 2 3 4 5 6 8 7
1.Связывание лиганда активирование тирозинкиназного домена рецептора 2. Фосфорилирование СИР 3. Присоединение белков, содержащих SH2 и SH3 домены ( Grb2 ( G rowth factor r eceptor b inding protein ). 4. Связывание белков GEF (guanine exchange factor) на рис это белок SOS 5. Замена ГДФ на ГТФ 6,7,8- каскад протеинкиназных реакций Raf - это ККМАПК MEK – это КМАПК ERK – это МАПК ( митогенами активируемая протеинкиназа ) Этот фермент катализирует фосфорилирование факторов транскрипции, участвующих в механизмах синтеза факторов, регулирующих рост и дифференцировку клеток. 2 1 3 5 4 6 7 8
Гуанилатциклазы- бывают мембраносвязанными и растворимыми (цитоплазматическими) НФП - натрий уретический фактор предсердий
Цитоплазматическая гуанилататциклаза : Активируется NO Катализирует образование цГМФ ( кишечник, гладкие мышцы сосудов ) цГМФ стимулирует цГМФ - зависимые протеинкиназы ( Пк G) Активность останавливается гидролизом цГМФ и дефосфорилированием субстратов Пк G
4. Ядерные и цитозольные рецепторы Ядерные рецепторы – факторы транскрипции ( TF) опосредуют изменение транскрипции в ответ на многие внеклеточные сигналы формируют короткий сигнальный путь липофильная сигнальная молекула → TF→ ответ (изменение транскрипции) для классических стероидных гормонов : секреция железой → транспорт по крови → клетка-мишень → диффузия в клетку → связывание с рецептором → активирование → ответ Классифицируются по типу лиганда и сродству к нему
5. Рецепторы – лигандзависимые ионные каналы
Обеспечивают прямое взаимодействие между клетками I. Замыкающие (плотные) контакты II. Прикрепительные соединения 1. c актиновыми филаментами ( адгезионные контакты) а) между клетками (например, адгезионные пояса) б) между клетками и матриксом (например, фокальные контакты) 2. С промежуточными филаментами а) между клетками (десмосомы) б) между клетками и матриксом ( полудесмосомы ) III. Коммуникационные соединения 1. Щелевые контакты 2. Химические синапсы 7. Рецепторы – молекулы клеточной адгезии
Различают Ca 2+ - зависимые CAM : кадгерины, селектины, интегрины 2)Ca 2+ - независимые CAM Клетки связываются и общаются при помощи CAM(cell adhesion molecules) молекулы межклеточной адгезии Кадгерин Са независимые САМ Интегрин
Интегрины обеспечиают СИГНАЛИЗАЦИЮ ИЗ ВНЕКЛЕТОЧНОЙ СРЕДЫ: Внеклеточныый домен связывается с лигандом ( ММ или CAM) Конформационные изменения цитозольного домена ( хвост ) Взаимодействие цитоскелета и сигнальных молекул. фосфорилирование, экспрессия генов и СИГНАЛИЗАЦИЮ ИЗ КЛЕТКИ : Молекулярный сигнал Конформационные изменения цитозольного домена Конформационные изменения внеклеточного лигандсвязывающего участка Изменение сродства к лиганду
Секвестрация рецепторов Модификация рецепторов (фосфорилирование) Инактивация белков участвующих в переносе (фосфатазы) Белки- «реле» Изменение концентрации вторичных посредников Образование белков ингибиторов Взаимодействие между различными сигнальными путями Большая часть участников регулируются по принципу обратной связи Механизмы выключения переноса сигналов
Группа Тип рецептора Другие свойства Гормоны класса I Внутриклеточный липофилы Стероидные гормоны ; простагландин J2 IIA Поверхность клетки цАМФ АКТГ, АДГ ( почки), CRH, CT, FSH, GHRH, β‑ адрен. катехоламины, глюкагон, ЛГ П T, ТСГ IIA цАМФ α 2 ‑ адренэрг катехол, опиоиды, соматостатин IIB I Ф 3 /Ca 2 + ДАГ α 1 ‑ адренэрг катехоламины, АДГ ( артериолы ), ангиотензин II, GnRH, окситоцин, TRH IIC РТК EGF, FGF, инсулин, IGF‑I, PDGF, др. факторы роста IIC Раствор. JAK- тир киназы эритропоэтин, ГР, Прл IID цГМФ ANP
