23. Молекулярні механізми проведення регуляторних сигналів. Система вторинних посередників.

Гормони здійснюють свої ефекти відносно контролю метаболічних процесів у клітинах-мішенях шляхом комплексування із специфічними рецепторами — білковими молекулами, які взаємодіють з біорегулятором з утворенням ліганд-репепторних комплексів і здійснюють трансформацію хімічного гормонального сигналу у відповідну, генетично запрограмовану для даного типу клітин, реакцію ефекторних систем.

Залежно від клітинної локалізації рецептора, характеру' його взаємодії з гормоном та механізмами реалізації гормонального сигналу, всі гормони поділяють на дві великі групи:

1. Гормони, що не проникають всередину клітин і взаємодіють зі своїми рецеп­торами, локалізованими в плазматичних мембранах клітини; до цієї групи належить більшість гормонів білково-пептидної природи та похідні амінокислот.

2. Гормони, які для реалізації своєї специфічної дії проникають всередину клітин,

де вони взаємодіють з внутрішньоклітинними цитозольними (в деяких випадках — ядерними) рецеп­торами; до цієї групи належать ліпофільні стероїди, а також тиреоїдні гормони.

Гормони першої групи здійснюють трансформацію регуляторного сигналу в специфічну функц активність кл-мішені за рахунок таких молекулярних подій:

1) взаємодії гормону на поверхні плазматичної мембрани з білковим рецептором;

2) передачі хімічного сигналу з рецептора, модифікованого за рахунок взаємодії з лігандом (гормоном, іншим біорегулятором), через трансформуючі білки-трансдуктори (G-білки) на внутрішньоклітинні сигнальні системи;

3) утворення (або вивільнення) внутрішньоклі­тинних сигнальних молекул — вторинних посеред­ників (циклічних нуклеотидів цапф, цГМФ, фосфоінозитидів, іонів Са2+);

4) взаємодії вторинних посередників з фермент­ними білками клітини з включенням (як правило, через активацію специфічних протеїнкіназ) ефекторних систем клітини, тобто послідовних стадій розвит­ку клітинної біохімічної реакції на гормональний стимул.

Рецептори білково-пептидних гормонів та нейро медіаторів.

Рецептори для фізіологічно активних сполук (ФАС) — гормонів та інших біорегуляторів — поділяють на два класи, що розрізняються за своєю молекулярною організацією та послідовністю біохімічних реакцій, які включаються після взаємодії ФАС із специфічними рецепторними білками:

• рецептори 1 класу — іонотропні рецептори — такі, що в результаті взаємо­дії з ФАС спричиняють відкриття іонних каналів на плазматичній мембрані і генерують розвиток надзвичайно швидких (мілісекундних) іонних струмів (Са2+, Na+, К+, СІ). Фізіологічними лігандами для іонотропних рецепторів є нейротрансміттери (ацетилхолін, адреналін, медіаторні амінокислоти тощо), що локалізовані в синапсах нейронів і в нервово-м'язових пластинках.

• рецептори II класу — метаботропні рецептори — такі, що після взаємодії з ФАС призводять до активації біохімічних ефекторних систем клітини через трансдукуючий G-білок. Реакція ефекторних систем клітини на дію сполук, що взаємодіють з метаботропними рецепторами, є більш повільною і розвивається протягом декількох секунд. Фізіологічними лігандами метаботропних рецепторів є гормони й інші біорегулятори білково-пептидної природи та біогенні аміни — похідні амінокислот (адреналін, дофамін, серотонін, гістамін); до метаботропних належать також м-холінорецептори нейромедіатора ацетилхоліну.

Молекулярна організація метаботропних рецепторів. Метаботропні рецептори для гормонів є біл­ковими молекулами (в деяких випадках — глікопротеїнами), поліпептидний ланцюг яких про­низує товщу мембрани з утворенням, як правило, семи трансмембранних спіральних сегментів (петель); N-кінець рецепторного поліпептиду розташований в енкстрацелюлярному просторі і може бути глікозильованим, С-кінець — за­нурений у цитозоль.

Білки-трансдуктори та вторинні месенджери. Система трансдукції хімічного сигналу, що його сприймає клітина від біо регулятора, включає взаємодію модифікованого гормон-рецепторного комплексу з білками-трансдукторами, які здійснюють трансформацію та по­дальшу передачу регуляторного сигналу.

Білки-трансдуктори — G-білки (або N-білки) — внутрішньомембранні білки, які сприймають хімічний сигнал віл рецептора, модифікованого за рахунок взаємодії з гормоном або медіатором, та спричиняють зміни функціональної активності ефекторних систем клітини. За молекулярною будовою G-білки є тримерами, шо складаються з трьох субодиниць (, β, γ ); -субодиниця має ГТФ-азну ак­тивність — активація G-білка при взаємодії з модифікованим рецептором та передача регуляторного сигналу на каталітичну субодиницю ферменту аденілатциклази супроводжується гідролізом ГТФ до ГДФ та Фн.

Існує декілька типів G-білків: Gs-б — такі, що активують аденілатциклазу — фермент, шо утворює головний вторинний посередник — цАМФ; Gi-б — такі, що інгібірують аденілатциклазу; Gq-б — такі, шо активують фосфоліпазу С (спричиняє активацію фосфоінозитидного циклу — ферментної системи, яка призводить до збільшення конц Са2+ в цитозолі за рахунок його вивільнення з внкл. депо).

Втор месенджери Сигнал на подальше вкл каскаду бх реакцій передається вторинними посередниками, або месенджерами – біо молекулами, що передають інформацію від гормону (первинного месенджеру) на ефекторні системи клітини.

До вторинних месенджерів належать: циклічні нуклеотиди — циклічний аденозинмонофосфат (3',5'-АМФ; цАМФ) і циклічний гуанозинмонофосфат (3',5'-ГМФ, цГМФ), фосфоінозитиди та іони Са2+.

Зростання внутрішньоклітинної (цитозольної) концентрації зазначених вторинних посередників здійснюється шляхом:

(1) активації аденілатциклази, що утворює циклічний АМФ; (2) активації гуанілатциклази, шо утворює циклічний ГМФ;

(3) активації фосфоліпази С що призводить до вкл фосфоінозитидного каскаду — механізму мобілізації внкл Са2+.

(4) надходження Са2+ з екстрацелюлярного простору за рахунок відкриття кальцієвих каналів на плазматичній мембрані (механізм, більш притаманний іонотропним рецепторам).

Протеїнкінази та ефекторні системи клітини

Основними тригерами, що включають ефекторні системи клітини у відповідь на дію гормонів, є ферменти протеїнкінази, дія яких призводить до зміни каталітичної активності певних регуляторних ферментів шляхом їх ковалентної модифікації (АТФ-залежного фосфорилювання).

Розглянемо детальніше основні з ефекторних механізмів, які реалізуються при дії на клітини гормонів першої групи.

Циклічний аденозинмонофосфат (3',5'-АМФ; цАМФ) стимулюється адреналіном і глюкагоном. Подальші дослідження встановили універсальність цАМФ як вторинного посередника в передачі сигналів фізіологічно ак­тивних сполук на клітину.

Утворення цАМФ з АТФ відбувається при дії мемб­ранної аденілатциклази: АТФ → 3',5'-АМФ + ФФн,

його розщеплення з утворенням неактивного про­дукту — нециклічного аденозин-5'-монофосфату — при дії фосфодіестерази циклічних нуклеопшдів: 3',5'-АМФ → АМФ.

До гормонів, шо використовують цАМФ як вторинний посередник, належать: адреналін, вазопресин, глюкагон, гонадотропін хоріонічний, дофамін (при взаємодії з D1-рецепторами), кальцитонін, кортикотропін, ліпотропін, лютеїнізуючий гормон, меланоцитостимулюючий гормон, норадреналін (при взаємодії з β-рецепторами), тиротропний гормон, фолікулостимулюючий гормон.

Поряд з гормонами та медіаторами, що активують аденілатциклазну каскадну систему (діють через трансдуктор Gs), існує група біорегуляторів, що гальмують аденілатциклазу і зменшують внкл рівень цАМФ (діють через Gі-білок). Інгібірують аденілатциклазу - ангіотензин, ацетилхолін, дофамін, норадреналін, опіоїдні пептиди, соматостатин.

Са2+ як внутрішньоклітинний месенджер та система фосфоінозитидів

Іони кальцію — еволюційно прадавні внутрішньоклітинні месенджери та регуля­тори багатьох ферментних систем і фізіоло­гічних функцій клітин, зокрема клітинного росту, поділу клітин, скорочення м'язових та інших скоротливих білків, згортання крові, секреції гормонів та нейро медіаторів, передачі нервового імпульсу тощо.

Регуляторна ф-ція Са2+ (передача сигналу від гормону, медіатора та активація ефекторних б/х с-м) здійснюється шляхом зростання внкл конц іона. Це зростання конц вільного Са2+ здійснюється шляхом включення знкл біорегулятором 1 з таких механізмів: — відкриття кальцієвих каналів (рецепторчутливих каналів) на плазматичній мембрані і входу в клітину екстрацелюлярного Са2+ (механізм, що реалізується зде­більшого при взаємодії нейромедіаторів з іонотропними рецепторами);

— виходу іонів кальцію в цитозоль з його внутрішніх депо — мітохондрій та цистерн (канальців) ендоплазматичного (саркоплазматичного) ретикулума (мобі­лізація кальцію з внутрішніх депо); включення цього механізму потребує стимуляції гормоном чи іншим біорегулятором фосфоінозитидної системи, інтермедіати якої і спричиняють вихід кальцію з органел.

Перехід клітини із стану активації до функціонального спокою відбувається в результаті зменшення цитозольної концентрації кальцію до вихідної, що забезпечується "викачуванням" Са2+ з цитозолі в екстрацелюлярний простір та "закачуванням'' іона у внутрішньоклітинні депо. Цей процес є енергозалежним транспортом проти градієнта концентрації і досягається за рахунок функціонування Са2+-АТФаз плазматичних мембран та мембран внутрішньоклітинних органел.

Кальмодулін Універсальним акцептором хімічного регуляторного сиг­налу від іонів Са2+ є кальмодулін (KM) — білок, який може зв'язувати чотири іони кальцію. Специфічне зв'язування Са2+ з молекулою KM призво­дить до змін конформації білка, який набуває властивості вза­ємодіяти з чутливими до KM білками, в тому числі протеїнкіназами (Са/КМ-залежними протеїнкіназами), які регулю­ють функції багатьох важливих ферментів, збільшуючи їх ката­літичну активність.

Фосфоінозитидна система та мобілізація Са2+ Встановлення біологічної ролі деяких фосфоінозитидів як агентів, що спричиняють вихід іонів Са2+ з внутрішньоклітинних резервуарів, відкрило додаткову сигнальну систему, що пов'язує гормонорецепторну взаємодію на плазматичній мембрані із стимуляцією біохімічних ефекторних систем клітини.

Головною подією у включенні фосфоінозитидного циклу є активація фосфоліпази С, яка відбувається в рез-ті взаємодії екзогенних біорегуляторів з мембр рецепторами та передачі хім сигналу через трансдукторний G -білок. Субстратом фосфоліпази С є мембр фосфоліпід фосфатидил-інозитол-4,5-диф (ФІФ2), шо в цій реакції розщеплюється до ІФ3 та ДАГ.

Подальші метаболічні перетворення ІФ3 та ДАГ призводять до ресинтезу фосфатидил-інозитол-4,5-диф (ФІФ2), тобто замикання фосфоінозитидного циклу.

Продукти реакції, яка каталізується гормоночутливою фосфоліпазою С — ІФ3 та ДАГ, є вн.кл. месенджерами:

- ІФ3 спричиняє вихід у цитозоль іонів Са2+, депонованих в ЕПР, і зб конц іона в цитозолі. Вивіль­нення Са2+ з ендоплазматичного (або, в гладеньких м'язах, — саркоплазматичного ретикулума) зумовлене відкриттям при дії ІФ3 мембранних каналів для кальцію, що локалізовані в зазначених ультраструктурних утвореннях, і є важливим меха­нізмом тонкої фізіологічної регуляції рівня іонізованого цнтозольного кальцію.

— ДАГ є активатором Са/ фосфоліпідзалежної протеїнкінази (протеїнкінази С) — ферменту, каталітична активність якого проявляється за умов взаємодії з Са2+ та фосфоліпідом фосфатидилсерином. Протеїнкіназа С є ферментом, що виявлений у всіх кл організмів вищих тварин, за викл зрілих без'ядерних еритроцитів. Пк С активує кл білки, що визн швидкість процесів кл проліферації, нормального та пухлинного тк росту, реакцію кл на ростостимулюючі фізіологічно активні сполуки та онкогени.