Этапы передачи сигнала

Этапы передачи сигнала выглядят следующим образом:

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 α_s и ингибирующие α_i.  Например, в случае действия адреналина с активирующей субъединицей α_s 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 α_s-субъединица стимулирует аденилатциклазу, которая начинает синтез цАМФ. Если в действо была вовлечена α_i-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 (cAMP-response 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: 

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

О становка 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. 

Снижение активности цАМФ-фосфодиэстеразы вызывается глюкокортикоидами, что усиливает действие адреналина при стрессе, и кофеином, что обусловливает его адреналиноподобные эффекты, а именно гипергликемию, 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.

Клеточные фосфодиэстеразы отличаются друг от друга внутриклеточной и органной локализацией, структурой и молекулярной массой, сродством к цГМФ и цАМФ. В связи с этим выделяют 11 типов фосфодиэстераз, среди них, например, Са2+-зависимые, цГМФ-регулируемые, цАМФ- и цГМФ-специфичные

6. Кальций-фосфолипидный механизм действия: гормоны, вторичные посредники, ферменты и процессы, регулируемые этим механизмом. Реакция образования инозитолтрифосфата (ИФ₃) и диацилглицерола (ДАГ). Источники ионов кальция.

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 аденилатциклазным, но мишеневым ферментом для α-субъединицы G-белка служит фосфолипаза С (ФЛ С). Фосфолипаза С расщепляет мембранный фосфолипид фосфатидилинозитолдифосфат(ФИФ2) до вторичных мессенджеров инозитолтрифосфата (ИФ3) и диацилглицерола(ДАГ).

Этапы передачи сигнала выглядят следующим образом:

1. Взаимодействие гормона с рецептором приводит к изменению конформации последнего.

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

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

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

5. 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-моноацил-глицерол и полиеновую жирную кислоту (например, арахидоновую), из которой образуются эйкозаноиды.

6. 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).

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

8. Как только ГТФ превратился в ГДФ, то α_P-субъединица инактивируется, теряет свое влияние на фосфолипазу C, обратно соединяется с β- и γ-субъединицами. Все возвращается в исходное положение.

9. 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.

Аннексины – семейство Ca²⁺-зависимых фосфолипид-связывающих белков на внутренней поверхности плазматической мембраны, связаны с цитоскелетом. Они участвуют в разнообразных процессах внутри и вне клеток: ингибирование свертывания крови, снижение активности фосфолипазы A2 и синтеза эйкозаноидов, регуляция функции лейкоцитов и др. Также играют роль в эндо- и экзоцитозе, пролиферации и дифференцировке клеток, регуляции тока ионов через мембрану и др. 

7. Рецепторы, связанные с тирозинкиназной активностью: ферментативный каскад, связанный с активацией Ras-белка, его схема, последовательность событий, основные участники, значение для метаболизма клетки; ферментативный каскад, связанный с активацией фосфоинозитол-3-киназы и протеинкиназы В (АКТ), его схема, последовательность событий, основные участники, значение для метаболизма клетки.

У инсулина два механизма действия

Сокращения и аббревиатуры, присутствующие на странице:

• p85, p110 (protein 85, protein 110) – название произошло от молекулярной массы белков  85 кДа и 110 кДа, субъединицы фермента фосфоинозитол-3-киназы,

• IRS (insulin receptor substrate) – субстрат инсулинового рецептора,

• PDK1 (3-phosphoinositide dependent protein kinase-1) – 3-фосфоинозитол-зависимая протеинкиназа-1,

• DNA-PK (DNA-dependent protein kinase) – ДНК-зависимая протеинкиназа,

• AKT1 (RAC-alpha serine/threonine-protein kinase) – серин-треониновая киназа, иначе называется протеинкиназа B,

• PIP3 (phosphatidylinositol (3,4,5)-trisphosphate) – фосфатидилинозитол-(3,4,5)-трифосфат (ФИФ₃),

• Shc (Src (homology 2 domain containing) transforming protein 1) – белок семейства src-киназ, является субстратом инсулинового рецептора,

• Grb (growth factor receptor bound protein) – белок, связывающийся с рецептором фактора роста, является субстратом инсулинового рецептора,

• Ras – белок семейства ГТФ-аз, относится к онкогенам,

• GAP (GTPase activating factor) – белок, активирующий ГТФ-азную активность белка Ras,

• GEF (GTF exchange factor) – белок, ускоряющий диссоциацию комплекса Ras-ГДФ,

• SOS (son of sevenless) – белок, участвующий в обмене ГДФ на ГТФ,

• Raf -–белок, относящийся к семейству серин-треониновых протеинкиназ,

• MAPK (mitogen-activated protein kinase) – митоген-активируемая протеинкиназа,

• ERK (extracellular signal-regulated kinase) – киназа, регулируемая внеклеточным сигналом (синоним MAPK),

• MAPK-K (mitogen-activated protein kinase kinase) – киназа митоген-активируемой киназы,

• MEK (MAPK/ERK kinase) – киназа ферментов MAPK и ERK (синоним MAPK-К),

• CREB (cAMP response element-binding protein) – белок, связывающийся с цАМФ-чувствительным элементом (на ДНК),

• CRE (cAMP-response elements) – участки ДНК, регулируемые за счет изменения количества цАМФ в клетке (при участии белка CREB)/

Активация инсулинового рецептора

Рецептор инсулина представляет собой гликопротеин, построенный из двух димеров, каждый из которых состоит из α- и β-субъединиц,(αβ)₂. Обе субъединицы кодируются одним геном 19 хромосомы и формируются в результате частичного протеолиза единого предшественника. Период полужизни рецептора составляет 7-12 часов. При присоединении инсулина изменяется конформация субъединиц и они связываются друг с другом, образуя микроагрегаты.

Связывание инсулина с рецептором инициирует ферментативный каскад реакций фосфорилирования. Первым делом аутофосфорилируются тирозиновые остатки на внутриклеточном домене самого рецептора. Это активирует рецептор и ведет к фосфорилированию остатков серина на особом белке, называемом субстрат инсулинового рецептора (IRS или СИР). Таких IRS выделяют четыре типа – IRS‑1, IRS‑2, IRS‑3, IRS‑4. Также к субстратам инсулинового рецептора относят белки Grb-1 и Shc, которые отличаются от IRS аминокислотной последовательностью.

Дальнейшие события могут развиваться по двум направлениям:

1. Процессы, связанные с активацией фосфатидилинозитол-3-киназы – в основном контролируют метаболические реакции обмена белков, углеводов и липидов (быстрые и очень быстрые эффекты инсулина). Сюда же относятся процессы, которые регулируют активность глюкозных транспортеров (ГлюТ) и поглощение глюкозы.

2. Реакции, связанные с активностью ферментов MAP-киназ – в целом управляют активностью хроматина (медленные и очень медленные эффекты инсулина).

Тем не менее, в клетке присутствуют ферменты, чувствительные к активации и того и другого каскадного пути.

Реакции, связанные с активностью фосфатидилинозитол-3-киназы

После активации IRS-белок и целый ряд вспомогательных белков способствуют закреплению на мембране гетеродимерного фермента фосфатидилинозитол-3-киназы, содержащего регуляторную p85 и каталитическую p110 субъединицы.

Эта киназа фосфорилирует мембранный фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат по 3-му положению до фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфата (PIP₃). Считается, что PIP₃ может выступать в качестве мембранного якоря для других элементов при действии инсулина.

Часто эту фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат-3-киназу (EC 2.7.1.153), субстратом которой является фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат, называют фосфоинозитид-3-киназой. На самом деле название фосфоинозитид-3-киназа применимо в рабочем порядке к трем разным ферментам, фосфорилирующим немного разные фосфолипиды – фосфатидилинозитол, фосфатидилинозитол-4-фосфат, фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат.

После образования фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфата (PIP3) происходит активация протеинкиназы PDK-1, которая вместе с ДНК-протеинкиназой (DNA-PK) дважды фосфорилирует протеинкиназу B (AKT1), которая прикрепляется к мембране также благодаря PIP₃. 

Фосфорилирование активирует эту протеинкиназу В (АКТ1), она покидает мембрану и перемещается в цитоплазму и ядро клетки, где фосфорилирует многочисленные белки-мишени (более 100 штук), которые обеспечивают дальнейший клеточный ответ:

• в частности, именно действие протеинкиназы В (АКТ1) приводит к перемещению глюкозных транспортеров ГлюТ-4 на клеточную мембрану и к поглощению глюкозы миоцитами и адипоцитами,

• также, например, активная протеинкиназа В (АКТ1) фосфорилирует и активирует фосфодиэстеразу (ФДЭ), гидролизующую цАМФ до АМФ, в результате чего концентрация цАМФ в клетках-мишенях снижается. Поскольку при участии цАМФ активируется протеинкиназа А, стимулирующая гормон-чувствительную липазу и фосфорилазу гликогена, то в результате действия инсулина в адипоцитах происходит подавление липолиза, а в печени – остановка гликогенолиза.  

• еще одним примером является действие протеинкиназы В (AKT) на киназу гликогенсинтазы. Фосфорилирование этой киназы инактивирует ее и в результате она не в состоянии действовать на гликогенсинтазу, фосфорилировать и инактивировать ее. Таким образом, влияние инсулина приводит к удержанию гликогенсинтазы в активной форме и к синтезу гликогена.

Практически все метаболические эффекты инсулина связаны с инициацией фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат-3-киназного пути. 

Реакции, связанные с активацией MAP-киназного пути

В самом начале развертывания этого пути в действие вступает еще один субстрат инсулинового рецептора – белок Shc, связывающийся с активированным (аутофосфорилированным) инсулиновым рецептором. Далее Shc-белок взаимодействует с Grb-белком и вынуждает его присоединиться к рецептору.

Также в мембране постоянно присутствует белок Ras, который в спокойном состоянии связан с ГДФ. Поблизости от Ras-белка находятся «вспомогательные» белки – GEF, SOS и белок GAP.

Формирование комплекса белков Shc-Grb активирует группу GEF-SOS-GAP и приводит к замене ГДФ на ГТФ в составе Ras-белка, что вызывает его активацию. Активный комплекс Ras-ГТФ передает активирующий сигнал на протеинкиназу Raf-1.

При активации протеинкиназы Raf-1 происходит ее присоединение к плазматической мембране, фосфорилирование дополнительными киназами по остаткам тирозина, серина и треонина, а также одновременное взаимодействие с рецептором инсулина.

Далее активированная Raf-1 фосфорилирует и активирует киназу MAPK-K (MEK), которая в свою очередь фосфорилирует следующую киназу МАPК (ERK). 

1. После активации МАP-киназа (МАРК) самостоятельно или при участии дополнительных киназ запускает фосфорилирование белков цитоплазмы, что изменяет их активность, например:

• активация фосфолипазы А2 приводит отщеплению от фосфолипидов арахидоновой кислоты, которая далее превращается в эйкозаноиды,

• активация рибосомальной киназы запускает процесс трансляции белков,

• активация протеинфосфатаз приводит к дефосфорилированию многих ферментов.

К примеру, активируемая в RAS-MAP-пути протеинкиназа pp90S6 фосфорилирует и активирует протеинфосфатазу, связанную с гранулами гликогена. Далее указанная протеинфосфатаза дефосфорилирует и активирует гликогенсинтазу, начиная синтез гликогена, и дефосфорилирует и инактивирует киназу фосфорилазы и гликогенфосфорилазу, прекращая гликогенолиз.

2. Весьма масштабной по последствиям является передача инсулинового сигнала в ядро. МАP-киназа самостоятельно фосфорилирует и этим активирует ряд факторов транскрипции, обеспечивая считывание определенных генов, важных для деления, дифференцировки и других клеточных ответов.

Одним из белков, связанных с этим механизмом, является транскрипционный фактор CREB (cAMP-response element-binding protein). В неактивном состоянии фактор дефосфорилирован и не влияет на транскрипцию. При действии активирующих сигналов фактор связывается с определенными CRE-последовательностями ДНК, усиливая или ослабляя считывание информации с ДНК и ее реализацию. Кроме MAP-киназного пути фактор чувствителен к сигнальным путям, связанным с протеинкиназой А и кальций-кальмодулином.

Инициация MAP-киназного пути преимущественно приводит к регуляции экспрессии разнообразных инсулин-зависимых генов, к клеточной пролиферации и клеточному росту.