Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
БХ учебник Николаев.pdf
Скачиваний:
573
Добавлен:
02.05.2015
Размер:
15.53 Mб
Скачать

212

Часть II. Обмен веществ и энергии

Na+, а затем энергия этого градиента используется для переноса аминокислот или глюкозы.

В хромаффинных клетках мозгового вещества надпочечников в специальных секреторных гранулах накашиваются гормоны адреналин и норадреналин. Мемб-

Рис. 7.16. Вторично-активный транспорт глюкозы из люмена кишечника в клетки

рана гранул содержит Н+-АТФазу, переносящую протоны из цитозоля внутрь грану­ лы, в результате чего создается протонный электрохимический потенциал AmH+. Затем за счет энергии электрохимического потенциала происходит перенос гормо­ нов: в обмен на два протона, выходящих из гранулы по градиенту своей концентра­ ции, из цитозоля внутрь гранулы транспортируется одна молекула гормона против градиента своей концентрации.

Для переноса углеводов, аминокислот и других метаболитов вторично-актив­ ный транспорт имеет, по-видимому, наибольшее значение по сравнению с други­ ми механизмами.

Кинетика трансмембранного переноса

Скорость простой диффузии через мембрану линейно зависит от градиента кон­ центрации диффундирующего вещества.

Для транспорта веществ с участием переносчиков (облегченная диффузия, активный перенос) характерна кинетика насыщения: при определенной (насыща­ ющей) концентрации переносимого вещества в переносе принимают участие все имеющиеся молекулы переносчика, и скорость транспорта достигает предельной величины (У ак). Например, для переносчика глюкозы, обеспечивающего реаб­ сорбцию глюкозы из первичной мочи, насыщающая концентрация глюкозы рав­ на 180 м г/дл (почечный порог). Если концентрация глюкозы в крови больше 180 мг/дл, то часть ее остается в окончательной моче и выводится из организма (глюкозурия). При наследственной почечной глюкозурии почечный порог снижен, и глюкозурия начинается уже при концентрации глюкозы в крови около 150 мг/дл. По-видимому, это связано с дефектом переносчика глюкозы.

Известны ингибиторы трансмембранных переносчиков. Н екоторые сердеч­ ные гликозиды ингибируют Ыа,К-АТФазу. Сердечные гликозиды — это группа ле­ карственных веществ, применяемых для лечения ряда заболеваний сердца. Один из них — уабаин (строфантин G) — широко используется в исследованиях на­ триевого насоса. Уабаин присоединяется к Na,K-AT®a3e с наружной стороны

Глава 7. Биологические мембраны

2 1 3

плазматической мембраны. Используя меченый уабаин, можно подсчитать коли­ чество молекул Гча.К-АТФазы в мембране. В эритроцитах обнаруживается 100200 молекул фермента на одну клетку; в других клетках содержится до миллиона моле­ кул этого фермента на одну клетку.

Флоридзин — вещество из группы флавонолов, встречающееся в корнях не­ которых растений, при введении в организм вызывает глюкозурию. Это действие флоридзина обусловлено ингибированием переносчика глюкозы в клетках нефронов, вследствие чего замедляется или прекращается реабсорбция глюкозы в по­ чечных канальцах.

Трансмембранная передача сигналов

Гормоны и другие сигнальные (регуляторные) молекулы пептидной природы, а также адреналин и норадреналин не проникают через клеточную мембрану. Пер­ вое звено действия гормона на клетку-мишень заключается в его присоединении к рецептору данного гормона — интегральному белку мембраны, имеющему на наружной поверхности мембраны центр связывания гормона; далее сигнал пере­ дается внутрь клетки при участии других специальных белков мембраны, а также белков цитозоля.

Аденилатцинлазная система

Эта регуляторная система частично описана в гл. 2 (см. рис. 2.28, 2.29, 2.30). Аде­ нилатциклазная система включает рецептор гормона, белок G, аденилатциклазу и протеинкиназу А. Первые три белка — мембранные, четвертый — цитозольный (рис. 7.17).

Рецептор гормона имеет центр связывания гормона (на наружной поверхнос­ ти мембраны) и центр связывания белка G. Белки G являются олигомерами ару, в процессе функционирования тример разделяется на протомер а и димер ру. Про­ томер а — фермент, связывает и гидролизует ГТФ; находясь в составе тримера, протомер а связан с ГДФ (рис. 7.17, состояние I).

Связывание гормона с рецептором приводит к изменению конформации ре­ цептора и увеличению его сродства к G-белку, в результате образуется комплекс гормон-рецептор-О -ГДФ . При этом снижается сродство а-протомера к ГДФ и повышается к ГТФ, поэтому' происходит замещение ГДФ на ГТФ (рис. 7.17, состо­ яние 2).

В результате замещения ГДФ на ГТФ и конформационных изменений комп­ лекс а-протомер-ГТФ отделяется от протомеров \У{ и от рецептора, но приобре­ тает сродство к аденилатциклазе. Аденилатциклаза имеет центр связывания для комплекса а-протомер-ГТФ, а также для своего субстрата АТФ, из которого обра­ зуется цАМФ; цАМФ активирует протеинкиназу А (рис. 7.17, состояние 3).

Контакт а-протомера с аденилатциклазой пробуждает ГТФазную активность а-протомера: происходит гидролиз ГТФ, связанной с а-протомером. Ho в результа­ те гидролиза ГТФ тут же утрачивается сродство а-протомера к аденилатциклазе: комплекс а-протомер-ГДФ вновь соединяется с протомерами P и у (рис. 7.17, со­ стояние 4). Если концентрация гормона в крови остается высокой и рецептор

2 1 4

Часть II. Обмен веществ и энергии

Рис. 7.17. Механизм трансмембранной передачи сигнала в аденилатциклазной системе

остается связанным с гормоном, то система приходит в состояние 2, и далее в со­ стояния 3, и 4, и снова 2, и т. д. Если же гормон исчезает, то состояние 4 переходит в состояние I . Образование цАМФ прекращается; уже имеющаяся цАМФ разруша­ ется фосфодиэстеразой:

цАМФ + H2O -* АМФ

Ho система находится в готовности вновь включиться, когда в крови появится соответствующий гормон.

Активный центр аденилатциклазы экспонирован на внутренней поверхности мембраны, цАМФ освобождается в цитозоль. Гормон называют первым, или вне­ клеточным, вестником сигнала, а цАМФ — вторым (внутриклеточным) вестником.

При участии цАМФ происходит активация протеинкиназы А (см. рис. 2.29 и 7.17). Процесс активации обратимый, следовательно концентрация активной протеинкиназы пропорциональна концентрации цАМФ. Далее протеинкиназы изменяют скорость определенных метаболических процессов путем ф осф ори­ лирования ферментов.

Инозитолфосфатная система

Главными мембранными компонентами этой системы служат рецептор гормона, белок Gplc, фосфолипаза С, субстрат этого фермента фосфатидилинозитол-4,5-бис- фосфат (ФИФ2) и протеинкиназа С. В инозитолфосфатной системе в роли вторых вестников участвуют инозитол-1,4,5-трисфосфат (ИФ„,), диацилглицерин (ДАТ) и ионы Ca2+.

Глава 7. Биологические мембраны

215

ФИФ2 образуется из фосфатидилинозитола (формула приведена в начале гла­ вы, рис. 7.4). ИФ, и ДА I’ образуются из ФИФ2 путем гидролиза фосфолипазой С (рис. 7.18).

Фосфатидилинозитол (ФИ)

 

 

L -

АТФ

O

 

,S -- АДФ

 

-

АТФ

Il

 

R- -C -

Г ’

- А Д Ф

 

R- -C -

, о

 

 

Il

оCH2- O - ^ P — о

Фосфатидшгинозитол-4,5-6исфосфат (ФИФ,,)

 

H2O

I

 

 

 

OPO1H,

R----С---- О----CH,

 

H2OiPO

R— C-— О— CH

+

о н

 

H о

Il

L

 

OPO3H2

 

CH,о н

 

 

Диацилглицерин (ДАГ)

 

Инозитол-1,4,5-трисфосфат (ИФ3)

Рис. 7.18. Образование инозитол-1,4,5-трисфосфата и диацилглицерина. Вертикальная пунктирная линия указывает связь, гидролизуемую фосфолипазой С

Начало трансмембранной передачи сигнала в этой системе сходно с тем, что происходит в аденилатциклазной системе на стадиях I, 2 и 3 (см. рис. 7.17): уча­ ствуют гормон, рецептор, белки G (но не те же, а несколько отличающиеся от белков G аденилатциклазной системы). Место аденилатциклазы в инозитолфосфатной системе занимает фосфолипаза С: она активируется а-протомером белка G (рис. 7.19). Далее фосфолипаза С катализирует образование диацилглицерина и ИФ,.

Инозитолтрисфосфат как вещество гидрофильное выходит в цитозоль и уча­ ствует в регуляции концентрации Ca2+, а диацилглицерин (гидрофобное веще­ ство), оставаясь в мембране, участвует в активации протеинкиназы С (ПКС). Та­ ким образом, сигнал, принятый рецептором клетки, раздваивается.

Путь инозитолтрисфосфат-Са2*

Ионы Ca2+ регулируют большое число биохимических процессов — от актива­ ции или ингибирования ряда ферментов до таких сложных, как нервная и мы­ шечная возбудимость или пролиферация клеток. Регуляция происходит путем из­ менения концентрции Ca2+, так же, как и в случае гормонов, цАМФ, ИФ^ и других

2 1 6

Часть II. Обмен веществ и энергии

Гормон <3>

А .

Кальмодулин

I / ------ J

Ca2+-*—

 

 

 

 

у

 

 

 

 

 

 

Кальмодулин • 4Ca2t

 

 

 

 

Ca2+Ф___TPCa2+

 

Ca2+S^-------- г?Ca2+

с УбстРат

Ca2+d/---- vSCa2+

i

Ca2+£/—

-\S Ca2+

 

 

I

Г __ Л

 

°

 

"

I

т

 

Активный

 

 

и

фермент

 

Продукт

 

Неактивным

1 г

 

 

 

 

фермент

Рис. 7.19. Инозитолфосфатная система

регуляторных молекул органической природы. Изменения концентрации таких молекул связаны с их синтезом или распадом, в то время как в случае Ca2+ измене­ ние концентрации возможно только путем перекачки из одного места в другое: из клеток в межклеточное пространство или в обратном направлении, из цистерн эндоплазматического ретикулума в цитозоль и др.

ИФ3 стимулирует пассивный выход Ca2+ из полости эндоплазматического рети­ кулума в цитозоль: кальциевые каналы содержат белок, связывающий Ca2+, и при­ соединение Ca2+ открывает каналы — Ca2+ поступает в цитозоль (см. рис 7.19). В цитозоле всех клеток содержится небольшой белок кальмодулин, имеющий че­ тыре центра связывания Ca2+ (см. рис. 2.31). При повышении концентрации Ca2+ образуется кальмодулин-4Са2+. Этот комплекс может присоединяться ко многим ферментам и активировать их (в частности, фосфодиэстеразу цАМФ и некоторые протеинкиназы). Сокращение гладких мышц также связано с активацией их фер­ ментов комплексом кальмодулин-4Са2+. В скелетных и сердечной мышцах ту же роль выполняет аналог кальмодулина — тропонин (см. гл. 23).

Путь ДАГ-протеинкиназа С

В цитозоле клетки находится неактивная форма протеинкиназы С (ПКС), кото­ рая при повышении концентрации Ca2+ в цитозоле мигрирует к плазматической мембране и соединяется с ней (с фосфолипидами мембраны). Кроме того, Ca2+ сильно повышает сродство фермента к диацилглицерину. В результате в мембра­ не формируется четверной комплекс: ПКС-Са2+-ДАГ-фосфолипид. Это и есть активная форма протеинкиназы С. Протеинкиназа С фосфорилирует многие бел­ ки, изменяя их активность.

Возвращение системы в исходное состояние после освобождения рецептора от гормона происходит следующим образом. Повышение концентрации Ca2+ в

Глава 7. Биологические мембраны

2 1 7

цитозоле активирует Са-АТФазу плазматической мембраны и эндоплазматического ретикулума: начинается откачка Ca2+ из цитозоля в межклеточное пространство и в цистерны эндоплазматического ретикулума. После снижения концентрации Ca2+ протеинкиназа С переходит в цитозоль, превращаясь в неактивную форм)'.

ИФ3 и ДАТ, образовавшиеся в результате действия системы, могут снова пре­ вращаться в фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат.

Аденилатциклазная и инозитолфосфатная системы регулируют большое коли­ чество разных клеточных процессов, многие из которых будут рассмотрены в последующих главах.

В роли внеклеточных сигналов могут действовать не только гормоны, но и ряд других веществ — цитокины, биогенные амины, нейромедиаторы, ангиотензин и др. Соответственно, существует множество рецепторов. Для зрительных клеток сетчатки глаза внешним сигналом служит свет, а рецептором — белок родопсин (зрительный пурпур, см. гл. 23). Восприятие запахов также происходит с участи­ ем мембранных рецепторов.

Белки G образуют семейство белков, сходных по строению и функциям: изве­ стно около 20 разных G-белков. В частности, есть белки G., которые, в отличие от белков Gs, пе стимулируют, а ингибируют аденилатциклазу или фосфолипазу С. Кроме рассмотренных существует ряд других механизмов трансмембранной пере­ дачи сигналов с участием G-белков.

Каталитические рецепторы

Ряд систем трансмембранной передачи сигнала содержит рецепторы, обладающие каталитической активностью. Рецептор инсулина (РИ) представляет собой тирозиновую протеинкиназу, т. е. протеинкиназу, фосфорилирующую белки по OHгруппе остатков тирозина. Он построен из двух а-субъединиц и двух Р-субъединиц; первые расположены целиком вне клетки, на ее поверхности, а вторые пронизы­ вают плазматическую мембрану (рис. 7.20). Центр связывания инсулина образу­ ют N-концевые домены а-субъединиц. Каталитическая субъединица РИ (Р-субъе- диница) содержит короткий внеклеточный домен, трансмембранный домен и большую внутриклеточную часть. Каталитический Тир-протеинкиназный центр

Рис. 7.20. Рецептор инсулина

218 Часть II. Обмен веществ и энергии

находится на внутриклеточных доменах (i-субъединиц. В этой части имеется ряд остатков тирозина, подверженных фосфорилированию -дефосфорилированию (см. рис. 7.20).

В отсутствие инсулина РИ не проявляет тирозинкиназной активности; присо­ единение инсулина к центру связывания на а-субъединицах активирует фермент. При этом субстратом служит сам фермент, т. е. происходит аутофосфорилирование: одна (i-цепь фосфорилирует другую (i-цепь той же молекулы РИ. Фосфорилируется 6-7 тирозиновых остатков.

Фосфорилирование (i-субъединиц приводит к изменению субстратной специ­ фичности фермента: теперь он способен фосфорилировать другие внутриклеточ­ ные белки — субстраты РИ. Активация и изменение специфичности обусловлены конформационными изменениями РИ после связывания инсулина и после аутофосфорилирования. РИ обнаруживаются в клетках почти всех типов, но в разном количестве. Больше всего их в гепатоцитах (до 250 ООО рецепторов на одну клет­ ку) и в адипоцитах (до 50 ООО); в моноцитах и эритроцитах на порядок меньше. Клетки с разным содержанием рецепторов реагируют по-разному на одну7и ту же концентрацию инсулина.

Сигнал, передаваемый через мембранные рецепторы некоторыми эндокрин­ ными гормонами (инсулин, гормон роста) и многими цитокинами при участии специальных механизмов, может достигать и ядра — стимулировать или ингиби­ ровать транскрипцию определенных генов.

Внутриклеточные рецепторы

Некоторые сигнальные молекулы — стероидные гормоны, витамин D, ретиноевая кислота, тироксин —обладают липофильными свойствами и легко проходят че­ рез клеточные мембраны. Рецепторы этих веществ находятся в цитозоле или в ядре клетки; соответственно, комплекс гормона с рецептором может образовать­ ся непосредственно в ядре или образуется в цитозоле, а затем поступает в ядро (рис. 7.21). Комплекс гормон—рецептор связывается с определенной нуклеотидной последовательностью в области энхансера или сайленсера определенного гена. При связывании с энхансером стимулируется транскрипция гена (увеличивается частота инициации транскрипции): количество белка, кодируемого этим геном, в

Гормон

'

Ядро

(

 

Комплекс

\

III IИ Illllill 11.

4---------

'

гормон-рецептор

\

Комплекс

Рецептор

 

\

гормон-рецептор-ДНК

 

 

 

ч

I

 

 

Белок ------------

мРНК

-- мРНК

 

Цитоплазма

 

______

Рис. 7.21. Передача сигнала внутриклеточными рецепторами

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.