7

По механизму пассивного антипорта функционируют транслоказы внутренней мембраны митохондрий, в частности, АДФ/АТФ-транслоказа.

При активном транспорте перенос вещества осуществляется против градиента концентрации и поэтому сопряжен с энергетическими затратами. Если перенос лигандов через мембрану связан с затратой энергии АТФ, то такой перенос называется первично-активным транспортом. Примером могут служить

Nа⁺К⁺-АТФаза и Са²⁺-АТФаза, локализованные в плазматической мембране клеток человека и Н⁺,К⁺-АТФаза слизистой оболочки желудка.

Вторично-активный транспорт. Перенос некоторых веществ против градиента концентрации зависит от одновременного или последовательного переноса Na⁺ (ионов натрия) по градиенту концентрации. При этом, если лиганд переносится в том же направлении, что и Na⁺, процесс называется активным симпортом. По механизму активного симпорта происходит всасывание глюкозы из просвета кишечника, где ее концентрация низка. Если же лиганд переносится в противоположном ионам натрия направлении, то такой процесс называется активным антипортом. Примером может служить Na⁺ ,Са⁺ -обменник плазматической мембраны.

Трансмембранная передача сигнала

Сигнальными молекулами могут быть неполярные и полярные вещества. Неполярные вещества, например стероидные гормоны, проникают в клетку, проходя через липидный бислой. Полярные сигнальные молекулы в клетку не проникают, но связываются специфическими рецепторами клеточных мембран. Такое взаимодействие вызывает цепь последовательных процессов в самой мембране и внутри клетки. К полярным сигнальным молекулам относят белковые гормоны (например, инсулин, соматотропин, паратгормон), нейромедиаторы (например, ацетилхолин, глицин, ГАМК), факторы роста, цитокины.

Передача сигнала с помощью внутриклеточных рецепторов

Гормоны стероидной природы реализуют свои эффекты, проникая в клетку и связываясь с цитозольными или ядерными рецепторами. Плазматическая мембрана не является для них непреодолимой преградой ввиду их липофильности и небольшой молекулярной массы. Поступив в клетку, стероидные образуют комплекс со специфическим цитозольным рецептором, что приводит к изменению конформации рецептора и снижению сродства к белкам-шаперонам, отделяющимся от комплекса гормон-рецептор. Далее гормон-рецепторный комплекс поступает в ядро, где связывается со специфическими регуляторными элементами ДНК - т.е. с определенными нуклеотидными последовательностями, чувствительными к гормонам (энхансером или сайленсером). Результатом этого взаимодействия является синтез всех видов РНК и как следствие, синтез на рибосомах новых количеств белка.

В отличие от стероидных гормоны белково-пептидной природы не способны проникать через клеточную мембрану и потому реализуют свои эффекты через трансдукционные системы, т.е. специальные системы, передающие сигнал снаружи внутрь клетки. Можно выделить 4 основных класса трансдукционных систем:

1. Системы, передающие сигнал при участии G-белков. Последние представляют собой семейство низкомолекулярных мембранных белков, связывающих гуаниловые нуклеотиды. Образовавшийся на поверхности клеточной мембраны гормон-рецепторный комплекс активирует G-белок. Механизм активации заключается в замещении ГДФ, содержащейся в неактивном G-белке, на ГТФ и последующей диссоциации α-субъединицы от ингибиторных βγ-субъединиц. После передачи сигнала G-белок возвращается в исходное неактивное состояние вследствие действия ГТФазы, имеющейся у G-белка и гидролизующей ГТФ до ГДФ. Описаны две системы, функционирующие с участием G-белков:

а) трансдукционная система, в которой эффекторным ферментом является аденилатциклаза, катализирующая образование цАМФ. Примерами могут служить системы, включаемые Н₂-гистаминовым рецептором, V₂- рецептором вазопрессина, рецептором глюкагона, β₁ и β₂-адренорецепторами и т.д.

б) трансдукционная система, в которой эффекторным ферментом является фосфо липаза С. Последняя гидролизует мембранный фосфатидилинозитолдифосфат (ФИФ₂) с образованием вторичных посредников: инозитолтрифосфата (ИФз) и диацилглицерола (ДАГ).

Примерами могут служить системы, включаемые V₁ -рецептором вазопрессина, α₁-адренорецептором, рецептором ангиотензина и т.д.

2. Система, в которой эффекторным ферментом является гуанилатциклаза, катализирующая образование цГМФ. Примером может служить система, включаемая рецептором предсердного натрий-уретического пептида.

3. Системы, в которых эффекторным ферментом является тирозинкиназа - фермент, катализирующий фосфорилирование белков-субстратов по остаткам тирозина. Примерами могут служить системы, включаемые рецептором инсулина и различных ростовых факторов: фактора роста нервов, тромбоцитов, эпидермиса и т.д.

4. Системы, в которых рецептор одновременно является ионным каналом. Примером может служить рецептор ГАМК, являющийся одновременно каналом для СI^-, а также никотиновый ацетилхолиновый рецептор одновременно являющийся Nа⁺-каналом.

Таким образом, белково-пептидные гормоны внутрь клетки не проникают, но в результате активации соответствующих трансдукционных систем внутри клетки образуются (или поступают извне) химические посредники, которые реализуют функции гормона внутри клетки. Эти посредники получили название вторичных мессенджеров (посредников). При этом в роли первого сигнала рассматривается сам гормон. В настоящее время можно выделить не менее 4 типов вторичных гормональных посредников: 1) циклические нуклеотиды (цАМФ и цГМФ), 2) ионы Са, 3) метаболиты фосфатидилинозитола и 4) циклическая АДФ-рибоза.

цАМФ - как вторичный гормональный посредник

Роль цАМФ в качестве вторичного посредника установлена амер. ученым Сазерлендом в 1957 году. В 1971 году за это открытие и разработку теории о вторичном гормональном посреднике ему присуждена Нобелевская премия.

Реализация гормональных эффектов через цАМФ представляется следующим образом. Гормон изменяет уровень цАМФ в клетке, модулируя активность аденилатциклазы (АЦ). Аденилатциклаза встроена в мембрану и состоит из 3-х компонентов:

1. рецепторов, локализованных на наружной поверхности плазматической мембраны. При этом все рецепторы можно разделить на 2 типа: 1) Rs - повышающие уровень цАМФ путем активации АЦ и 2) Ri - понижающие уровень цАМФ путем ингибирования АЦ.

2. регуляторных белков (Gs и Gi), действующих как трансдуктор между соответствующими рецепторами и каталитической субъединицей АЦ. При этом регуляторные белки состоят из 3-х субъединиц: α, β и γ. β и γ- субъединицы у всех G-белков одинаковы, а α-субъединицы различны.

3. каталитической субъединицы АЦ или собственно АЦ, которая обладает ферментативной активностью и катализирует реакцию:

АТФ + Н₂0 → цАМФ + Н₄Р₂0₇

Функционирование аденилатциклазной системы:

комплекс Hs-Rs взаимодействует с Gs-белком, активируя его, что выражается в замещении ГДФ на ГТФ, после чего α-субъединица отделяется от комплекса из βγ-субъединиц и активирует каталитическую субъединицу АЦ. Последняя катализирует образование цАМФ из АТФ.

Образовавшийся цАМФ реализует свои эффекты через цАМФ- зависимую протеинкиназу (ПК А). Последняя представляет собой тетрамер, состоящий из 2 регуляторных (R) и 2 каталитических (С) субъединиц. Присоединение цАМФ к R-субъединицам вызывает диссоциацию тетрамера, при этом образующийся димер из двух С-субъединиц является активной формой ПК А. ПК А фосфорилирует белки по остаткам серина и треонина, изменяя их функциональную активность.

Прекращение действия цАМФ связано с функционированием 3 ферментов: 1) фосфодиэстеразы (ФДЭ) циклических нуклеотидов,

гидролизующей цАМФ и переводящей его в ациклическую форму 2) фосфопротеинфосфатазы, катализирующей дефосфорилирование белков и переводящей их тем самым в исходное функциональное состояние и 3) ГТФазы, катализирующей гидролиз ГТФ до ГДФ, и тем самым вызывающей диссоциацию комплекса α-субъединица Gs-белка - аденилатциклаза, что переводит последнюю в неактивную форму.

Взаимодействие Hi со специфическим рецептором приводит к образованию комплекса Hi-Ri и активации Gi-белка. α-субъединица Gi-белка отделяется от βγ-субъединиц, в результате чего последние приобретают способность взаимодействовать с α-субъединицей Gs-белка и, таким образом, ингибировать каталитическую субъединицу АЦ.

Вторичные посредники липидной природы

Их предшественником является фосфатидилинозитолдифосфат (ФИФ₂), образующийся в результате фосфорилирования фосфатидилинозитола (ФИ), локализованного преимущественно в обращенном к цитоплазме слое клеточной мембраны. Гидролиз этого фосфолипида под действием фосфолипазы С (ФЛ С) приводит к образованию 2-х вторичных посредников липидной природы: ИФ₃ и ДАГ.

Гормон, связываясь со специфическим рецептором, активирует Gq- белок. При этом ГТФ замещает в Gq-белке ГДФ, α-субъединица отделяется от ингибиторных βγ-субъединиц и присоединяется к фосфолипазе С, переводя ее в активную форму. Последняя гидролизует ФИФ₂ с образованием ДАГ и ИФ₃. ИФ₃ хорошо растворим в воде, поэтому он диффундирует в цитоплазму, взаимодействует со специфическим рецептором на цистернах эндоплазматического ретикулума и вызывает освобождение депонированного в них Са²⁺ . ДАГ плохо растворим в воде, поэтому он остается в пределах липидного слоя мембраны и взаимодействует с доменом протеинкиназы С, чувствительным к ДАГ. Результатом является повышение сродства протеинкиназы С к Са²⁺. Активированная Са²⁺ протеинкиназа С катализирует фосфорилирование белков-мишеней по остаткам серина и треонина, изменяя их функциональное состояние.

цГМФ - как вторичный гормональный посредник

Гуанилатциклазная система, регулируемая атриальным натрий-уретическим пептидом, представлена одной или несколькими полипептидными цепями, на одной стороне которых находится рецептор, а на другой (обращенной в цитоплазму) - каталитический домен. Этот домен, при образовании гормон-рецепторного комплекса, демонстрирует гуанилатциклазную активность, катализируя реакцию образования цГМФ из ГТФ:

ГТФ + Н₂0 → цГМФ + ФФ

Образующийся цГМФ реализует свои эффекты через протеинкиназу G, которая катализирует фосфорилирование белков-мишеней по остаткам серина и треонина, изменяя их функциональную активность.

Са²⁺ как вторичный гормональный посредник

Система, регулирующая внутриклеточное содержание Са²⁺, состоит из

рецептора, G-белка и рецептор-зависимого Са²⁺ -канала. Взаимодействие гормона с G-белком открывает рецептор-зависимый Са²⁺-канал и Са²⁺ по градиенту концентрации (концентрация Са²⁺ вне клетки составляет 10^-3 М, а внутри клетки – 10^-7 М) поступает в клетку. В цитоплазме он взаимодействует с кальмодулином (КМ) - термостабильным низкомолекулярным белком, имеющим центры с высоким сродством для связывания Са²⁺. Образующийся комплекс Са²⁺-кальмодулин способен изменять активность целого ряда ферментов: Са²⁺/КМ-зависимой протеинкиназы, ФДЭ-I (Са²⁺/КМ-зависимой ФДЭ) и других. Са²⁺/КМ-зависимая протеинкиназа реализует свои эффекты в клетке, катализируя фосфорилирование белков-мишеней по остаткам серина и

треонина. Прекращение действия сигнала достигается действием двух ферментов: 1) Са²⁺-АТФазы, которая откачивает Са²⁺ из клетки в межклеточное пространство (изофермент плазматической мембраны) или закачивает Са²⁺ в цистерны эндоплазматического ретикулума (изофермент ЭПР), и 2) фосфопротеинфосфатазы, катализирующей дефосфорилирование фосфопротеинов, переводя их в исходное функциональное состояние.