Transmisia semnalului și mesagerii secundari. Mesageri secundari (mesageri) Fiziologia mesagerilor primari și secundari

Viața oricărei celule, inclusiv procesele globale de creștere, diviziune și chiar moarte, depinde de semnalele de reglare externe pe care le percepe. Astfel de semnale pot fi influențe fizice (temperatură, radiații ionizante și alte radiații electromagnetice) sau numeroși compuși chimici. Substanțele bine studiate pe care organismul le folosește pentru reglarea activității celulare sunt, de exemplu, hormonii steroizi, citokinele sau factorii de creștere, care, la atingerea celulelor țintă, provoacă modificări metabolice specifice în acestea, inclusiv modificări ale expresiei unor grupuri mari de gene. Un răspuns la fel de puternic și adesea și specific este cauzat de diverse fiziologice substanțe active origine exogenă, cum ar fi feromonii sau toxinele. Toate aceste semnale, transmise prin moleculele de semnalizare corespunzătoare, sunt primare în raport cu acele cascade de reacții biochimice care sunt lansate în celule ca răspuns la influența lor. Semnalele primare sunt recunoscute de celule datorită prezenței unor molecule speciale de receptor de natură proteică care interacționează cu moleculele de semnalizare primară sau influențe de natură fizică. Semnalul primar, de regulă, nu afectează direct acele procese metabolice din celulă pe care intenționează să le regleze. În schimb, receptorul care îl percepe inițiază formarea în celulă a unor compuși chimici intermediari care declanșează procese intracelulare, impactul cărora a fost scopul semnalului extracelular primar. Deoarece astfel de compuși intermediari poartă informații despre semnalul de reglare primar și sunt purtătorii săi secundari, ei sunt numiți mesageri secundari. Pot fi diverși ioni, nucleotide ciclice, produși de degradare a lipidelor și o serie de alți compuși chimici de origine biogenă.

Utilizarea sistemelor de mesager secund de către eucariote le traduce în nou nivel integrarea tuturor proceselor metabolice și catabolice, care este necesară pentru existența organismelor pluricelulare. În special, mesagerii secundari fac posibilă îmbunătățirea în mod repetat a semnalului de reglare primar de la moleculele de reglare extracelulare, care, datorită acestui fapt, își desfășoară acțiunea în timp ce se află în concentrații mici în spațiul extracelular. În plus, multe grupuri de celule și țesuturi dobândesc capacitatea de a avea același tip și răspuns simultan la un semnal de reglare primară, de exemplu, la acțiunea unui hormon al oricărui organ al sistemului endocrin. Acest lucru oferă capacitatea de a adapta rapid un organism multicelular la condițiile interne și de mediu în schimbare.

Transportul transmembranar al semnalelor primare

Pentru ca semnalul reglator primar să ajungă la nucleu și să aibă efectul său asupra expresiei genelor țintă, acesta trebuie să treacă prin membrana cu dublu strat exact a acelor celule pentru care este destinat. De regulă, acest lucru se realizează datorită prezenței receptorilor de proteine ​​pe suprafața celulelor care selectează în mod specific semnalele din mediu pe care sunt capabile să le recunoască (Fig. 2). În cel mai simplu caz, atunci când compușii chimici hidrofobi solubili în lipidele membranei (de exemplu, hormonii steroizi) acționează ca regulatori cu un nivel molecular scăzut, receptorii nu sunt utilizați pentru transferul lor și pătrund în celulă prin difuzie radială. În interiorul celulelor, astfel de compuși interacționează în mod specific cu receptorii proteici, iar complexul rezultat este transferat în nucleu, unde își exercită efectul de reglare asupra transcripției genelor corespunzătoare (Fig. 2a). În schimb, receptorii membranari orientați în spațiul extracelular au capacitatea de a transporta ligand-regulatorul în celule prin endocitoză (absorbție prin retragerea membranei) a complexului ligand-receptor din veziculele membranei. Acest mecanism este utilizat, în special, pentru a transporta moleculele de colesterol asociate cu receptorii de lipoproteine ​​cu densitate scăzută în celule (Fig. 2b). Un alt tip de receptor care vizează liganzii extracelulari este o moleculă transmembranară sau un grup de molecule. Interacțiunea cu ligandul părții externe a unor astfel de molecule este însoțită de inducerea activității enzimatice asociată cu partea intracelulară a aceleiași polipeptide (Fig. 2c). Exemple de astfel de receptori care au activitate tirozin-protein kinază sunt receptorii pentru insulina, factorul de creştere epidermic sau factorul de creştere derivaţi de trombocite. La sinapsele neuronale și la locurile de contact dintre țesuturile neuromusculare, liganzii neurotransmițătorilor (de exemplu, acetilcolina sau acidul g-aminobutiric) interacționează cu canalele ionice transmembranare (Fig. 2d). Ca răspuns la aceasta, canalele ionice se deschid, însoțite de mișcarea ionilor prin membrană și de o schimbare rapidă a potențialului electric transmembranar. Alți receptori transmembranari conectează proteinele matricei extracelulare cu microfilamentele citoscheletului celular și reglează forma celulei, în funcție de matricea extracelulară, motilitatea și creșterea acestora (Fig. 2e). În cele din urmă, un grup mare de semnale extracelulare este recunoscut de receptorii asociați pe suprafața interioară a membranei cu proteine ​​de legare a GTP, care, la rândul lor, ca răspuns la semnalul primar, încep sinteza mesagerilor secundari care reglează activitatea proteinelor intracelulare. (Smochin. 2e). Clasificarea în funcție de caracteristicile structurale ale receptorilor care efectuează transferul de semnal în celule prin membrane este dată în tabel. 1.

Toți receptorii implicați în transmiterea semnalului transmembranar sunt împărțiți în trei clase. În acest caz, de regulă, se ia în considerare asemănarea sau diferența dintre structurile secundare ale subunităților, și nu caracteristicile secvențelor lor de aminoacizi.

Orez. 2

Y și Y-P sunt resturi Tyr nefosforilate și, respectiv, fosforilate în proteine. Este prezentată și transformarea precursorului X în mesagerul secundar Z

Tabelul 1. Receptorii de membrană care efectuează transferul de semnal transmembranar

Receptorii de clasa 1 formează structuri oligomerice în jurul porilor din membrane. Transferul de semnal în acest caz are loc ca urmare a deschiderii sau (într-un caz) închiderii canalelor ionice. Cea mai mare parte a receptorilor de clasa 2 sunt înglobate în membrane și fiecare dintre subunități conține secvențe recunoscute de proteinele G. Toate subunitățile din această clasă sunt caracterizate prin prezența unei secvențe transmembranare (TM) care traversează membrana de 7 ori. Subunitățile receptorilor de clasa 3 sunt imersate minim în membrane, ceea ce asigură mobilitatea receptorilor și posibilitatea internalizării acestora (tranziția în citoplasma celulelor ca parte a unei vezicule membranare). Majoritatea lanțurilor polipeptidice ale acestor subunități sunt expuse în afara celulelor.

Mesageri secundari

Ipoteza că efectele hormonilor asupra metabolismului celular și expresiei genelor sunt mediate de mesagerii secundari intracelulari a apărut pentru prima dată odată cu descoperirea adenozinei ciclice 3", 5"-monofosfat (cAMP) de către E. Sutherland la sfârșitul anilor 1950. Până în prezent, lista de mesageri secundari s-a extins și include guanozină-3",5"-monofosfat ciclic, fosfoinozitide, ioni de Ca 2+ și H +, metaboliți ai acizilor retinoic și arahidonic, protoxid de azot (NO), precum și unele alti compusi chimici de origine biogena .

După cum sa menționat mai sus, semnalele extracelulare percepute de receptorii de pe suprafața celulei declanșează un lanț de reacții biochimice intracelulare mediate de mesageri secundari, care implică zeci și chiar sute de proteine ​​intracelulare. Pentru a organiza un răspuns coordonat adecvat la un semnal extracelular specific, o celulă eucariotă utilizează două strategii principale. Potrivit uneia dintre ele, activitatea proteinelor preexistente (enzime, proteine ​​citoscheletice, canale ionice etc.) se modifică ca urmare a efectelor alosterice sau ca urmare a modificărilor covalente (fosforilare prin protein kinaze sau defosforilare). Noile activități proteice induse în acest fel, determină, la rândul lor, un răspuns celular bazat pe a doua strategie - modificarea nivelurilor de expresie ale unor gene specifice. Ca urmare a implementării celei de-a doua strategii, numărul de molecule de proteine ​​specifice și compoziția lor calitativă se modifică în celule.

AMP ciclic ca al doilea mesager

Într-un număr de cazuri bine studiate, liganzii extracelulari, după interacțiunea cu receptorii, induc formarea de mesageri secundi prin participarea proteinelor heterodimerice care leagă GTP și hidrolizează GTP numite proteine ​​G. În toate aceste sisteme, are loc secvența de reacții prezentată în Fig. 3a. Ligandul extracelular este recunoscut în mod specific de receptorul transmembranar, care, la rândul său, activează proteina G corespunzătoare localizată pe suprafața citoplasmatică a membranei. Proteina G activată modifică activitatea unui efector (de obicei o enzimă sau o proteină a canalului ionic, în acest caz adenilat ciclază), ceea ce crește concentrația intracelulară a unui al doilea mesager (în exemplul nostru, cAMP). Fiecare tip de receptor interacționează numai cu un membru specific al familiei de proteine ​​G și fiecare proteină G interacționează cu o clasă specifică de molecule efectoare. Astfel, într-un caz particular, un hormon sau neurotransmițător, care reacționează cu receptorul său, determină activarea proteinei GS, care stimulează adenilat ciclaza. Această enzimă efectoră transformă ATP intracelular în cAMP, un al doilea mesager clasic. Nivelul intracelular de AMPc poate fi redus în mod specific de fosfodiesteraza, care transformă AMPc în 5"-AMP. AMPc activează mai multe proteine ​​kinaze dependente de AMPc, fiecare dintre acestea fosforilând proteinele substrat specifice. Majoritatea celulelor animale conțin cel puțin două AMPc bine caracterizate - proteine ​​kinaze dependente care fosforilează proteinele țintă la resturile Ser și Thr (A-kinazele serină/treonină sunt tetrameri formați din dimeri reglatori (R) și catalitici (C) ai lanțurilor polipeptidice pentru AMPc, cu care interacționează, aceasta este însoțită de disocierea complexului și eliberarea de lanțuri C, care au activitate de protein kinază. proteinele țintă adecvate, inclusiv factorii de transcripție, sunt însoțite de activarea și inducerea transcripției genelor corespunzătoare ale kinazei A sunt, în special, factorii de transcripție CREB, CREMφ, AP2, SRF, Sp1. controlul unui număr mare de funcții celulare, inclusiv proliferarea și diferențierea celulară, metabolismul glicogenului și reglarea canalelor ionice etc. Specificitatea efectelor reglatoare ale cAMP este asigurată de prezența în anumite tipuri de celule a proteinelor specifice țesuturilor care sunt substraturi pentru A-kinaze. De exemplu, celulele hepatice sunt îmbogățite cu fosforilază kinază și glicogen sintază, a căror activitate este reglată de fosforilarea lor selectivă printr-un mecanism dependent de cAMP, care este însoțită de acumularea sau eliberarea de carbohidrați în hepatocite. Adipocitele sunt îmbogățite cu lipază, a cărei fosforilare, prin același mecanism, duce la eliberarea de acizi grași liberi de către aceste celule. În mod similar, alte tipuri de celule programate pentru anumite funcții specifice țesutului conțin seturi specifice de enzime, a căror activitate este reglată prin fosforilarea lor dependentă de cAMP.

Orez. 3.

a: Rec - receptori, Gs - proteina G, AC - adenilat ciclază, PDE - fosfodiesteraza, R și C - subunități reglatoare și catalitice ale protein kinazei, respectiv, S și S-P - protein kinazei substrat protein și forma sa fosforilată, respectiv 2C * - dimer eliberat al subunităților catalitice A-kinazei, Pi - ortofosfat anorganic

b: UV - lumină ultravioletă, IR - radiații ionizante, MMS - metil metan sulfonat, SMaze - sfingomielinază, MAPKK - kinaze care fosforilează MAPK, MAPKKK - kinaze care fosforilează MAPKK

c: Formarea de complexe ciclină-CDK specifice asigură trecerea celulei prin fazele corespunzătoare ale ciclului celular. Locurile de acțiune ale proteinelor inhibitoare ale ciclului celular sunt marcate

Odată cu o scădere a concentrației de hormoni în mediul extracelular și o scădere a nivelului de influență hormonală asupra receptorilor, conținutul intracelular al cAMP scade rapid, deoarece fosfodiesteraza transformă imediat cAMP în 5"-AMP. În același timp, defosforilarea proteinele țintă ale A-kinazelor se produce sub acțiunea fosfatazelor subunitățile C ale A-kinazei. Aceasta este însoțită de inactivarea factorilor de transcripție corespunzători și de suprimarea exprimării genelor pe care le reglează.

Transducția semnalului care implică protein kinaze activate de mitogen (MAPK)

Protein kinaze activate de mitogeni(MAPK - mitogen activated protein kinaze), joacă un rol extrem de important în reglarea expresiei genelor în toate manifestările principale ale activității celulare: proliferarea și diferențierea acestora, precum și întârzierea creșterii și apoptoza ca răspuns la stresul mediului. După primirea semnalelor extracelulare sub formă de efecte mitogenice sau genotoxice (mutagene), precum și ca răspuns la acțiunea citokinelor care provoacă inflamație sau apoptoză, în celule încep să se dezvolte cascade de reacții de fosforilare, culminând cu activarea sau suprimarea specifică a activitatea factorilor de transcripție sau a altor proteine ​​reglatoare, care a fost însoțită de modificări ale nivelurilor de expresie ale genelor corespunzătoare (Fig. 3b). Cascadele MAPK de reacții de fosforilare ale protein kinazelor și ale altor proteine ​​de reglare asigură decodificarea pas cu pas a semnalelor efectoare primare prin transmiterea acestora de la suprafața celulei la nucleu sau alte componente intracelulare, culminând cu răspunsuri cooperante ale celulelor corpului.

Cel puțin 11 MAPK-uri animale cunoscute efectuează fosforilarea de reglementare a factorilor de transcripție nucleari, proteinelor citoscheletice celulare și proteinelor implicate în transducția semnalului. ultimele etape acest proces. Membrii familiei MAPK includ: 1) kinazele extracelulare reglate de semnal ERK1 și 2; 2) kinazele părții N-terminale a factorului de transcripție Jun și protein kinazele activate de stres JNK/SAPK b, c și d (NH2-terminal Jun kinaza/protein kinazele activate de stres); și 3) grupul p38 MAPK, constând din patru proteine ​​b, c, d și e (Fig. 3b). MAPK-urile acestor grupări sunt recunoscute în mod specific și fosforilate de protein kinazele 1) MEK1 și 2, cunoscute și prin abrevierea MKK1 și 2; 2) JNKK1, SEK1, precum și MKK4 și 7; 3) MKK3 și 6. Lanțurile polipeptidice ale MAPK și kinazele lor MKK au omologie ridicată, ceea ce indică originea posibilă a genelor întregii cascade prin duplicarea genelor modulului MAPK.

Activarea MAPK-urilor de către MKK-urile lor are loc printr-un mecanism comun prin fosforilarea resturilor de aminoacizi situate în același context. Mai mult, MKK sunt reprezentanți ai unei clase rare de protein kinaze cu specificitate dublă: pot fosforila atât resturile Ser/Thr, cât și Tyr.

MAPK kinazele (MKK) în sine sunt activate prin fosforilarea resturilor Ser/Thr de către MAP kinaze kinaze kinaze (MKKK, sau altfel cunoscut ca MAPKKK). Spre deosebire de MAPK, fiecare dintre acestea fiind recunoscut și fosforilat de către o protein kinază specifică (MKK), orice MKK poate fi fosforilat și activat de mai multe MKKK diferite, inclusiv proteinele familiei Raf, MEK kinaze (MEKK), c-Mos și MLK (proteina multilinie). kinaza). Această promiscuitate a MKK în ceea ce privește partenerii săi de activare oferă o mare varietate de căi pentru activarea MAPK, începând cu pașii specifici din cascada de fosforilare.

Una dintre țintele directe ale semnalului transmis cu participarea MAPK, proto-oncogenele fos și jun codifică proteine ​​care sunt principalele componente ale factorului de transcripție multisubunități AP-1. Acest factor include homodimeri sau heterodimeri ai proteinelor din familia Fos (FosB, Fra-1 și Fra-2) și din familia Jun (c-Jun, Jun-B și Jun-D). Fosforilarea componentelor AP-1 modulează (mărește sau scade) activitatea factorului. Astfel, fosforilarea resturilor Ser-63 și Ser-73 din lanțul polipeptidic c-Jun sub acțiunea kinazei JNK activează transcripția propriei gene după formarea homodimerului c-Jun/c-Jun sau c-Jun/ Heterodimerul ATF Pe de altă parte, inducerea genei c-Jun fos sub influența mitogenilor sau a stresului (de exemplu, iradierea UV) este mediată de fosforilarea proteinei ELK-1, care face parte din TCF (complexul ternar). factor) factor de transcripție, care interacționează cu secvența reglatoare SRE a promotorului acestei gene.

Genele care codifică proteinele Fos și Jun aparțin unei familii de gene timpurii imediate a căror inducție nu necesită sinteza proteinelor de novo și are loc extrem de rapid în multe tipuri de celule ca răspuns la stimulii extracelulari și intracelulari menționați anterior. Dovezile indică faptul că factorii de transcripție AP-1 multicomponent, care sunt homo- și heterodimeri ai proteinelor Fos și Jun, joacă un rol cheie în reglarea proliferării, diferențierii terminale și a morții celulare programate. De exemplu, genele fos/jun sunt induse tranzitoriu în fibroblastele repaus ca răspuns la ser. Cu toate acestea, în timpul diferențierii celulelor mieloide, are loc inducerea lor stabilă, iar nivelul transcripției genelor devine maxim în celulele mature care au suferit diferențiere terminală. Toate acestea indică posibilitatea participării proteinelor Fos/Jun la inițierea și dezvoltarea programului de diferențiere terminală a celulelor hematopoietice, precum și menținerea stării lor diferențiate. Transmiterea semnalului care implică kinazele MAP joacă un rol la fel de important în reglarea ciclului celular.

Ciclul celular și reglarea acestuia

Creșterea și diviziunea celulară sunt printre acele procese fundamentale care stau la baza vieții oricărui organism. Înainte de a se diviza, o celulă trebuie să-și copieze genomul (ADN-ul celular) cu mare precizie și să se pregătească pentru transferul ei într-o celulă fiică, precum și să sintetizeze numeroși compuși cu moleculare înaltă și joasă. Setul repetat de evenimente care asigură diviziunea celulelor eucariote se numește ciclu celular. Durata ciclului celular depinde de tipul de celule care se divizează. Unele celule, cum ar fi neuronii umani, încetează să se divizeze complet după ce ating stadiul de diferențiere terminală. Celulele plămânilor, rinichilor sau ficatului într-un corp adult încep să se dividă numai ca răspuns la deteriorarea organelor corespunzătoare. Unele tipuri de celule, cum ar fi celulele epiteliale intestinale, se divid de-a lungul vieții unei persoane. Dar chiar și în aceste celule cu proliferare rapidă, pregătirea pentru divizare durează aproximativ 24 de ore.

Fazele ciclului celular

Ciclul celular activ al celulelor eucariote este împărțit în patru faze. Etapa cel mai ușor de detectat este etapa diviziunii celulare directe - mitoză, în care cromozomii de metafază condensați sunt distribuiti în mod egal între celulele fiice (faza M a ciclului celular - mitoză). Mitoza a fost prima fază a ciclului celular identificat și toate celelalte evenimente care au loc în celula între două mitoze au fost numite interfaza. Dezvoltarea cercetării la nivel molecular a făcut posibilă identificarea unei etape a sintezei ADN-ului în interfază, numită faza S(sinteză). Aceste două etape cheie ale ciclului celular nu trec direct una în alta. După sfârșitul mitozei, înainte de începerea sintezei ADN-ului, există o pauză aparentă (decalaj) în activitatea celulară - faza G1 ciclu celular, în care procesele sintetice intracelulare pregătesc replicarea materialului genetic. A doua pauză în activitatea vizibilă ( faza G2) se observă după terminarea sintezei ADN-ului înainte de debutul mitozei. În faza G2, celula monitorizează acuratețea replicării ADN care a avut loc și corectează eșecurile detectate. În unele cazuri există a cincea fază a ciclului celular (G0) când, după terminarea diviziunii, celula nu intră în următorul ciclu celular și perioadă lungă de timp rămâne în repaus. Poate fi îndepărtat din această stare prin influențe externe stimulatoare (mitogenice). Toate fazele enumerate ale ciclului celular nu au limite temporale și funcționale clare care le separă unele de altele, cu toate acestea, în timpul tranziției de la o fază la alta, are loc o comutare ordonată a proceselor sintetice, ceea ce face posibilă diferențierea acestor faze intracelulare. evenimente la nivel molecular.

Cicline și kinaze dependente de ciclină

Celulele intră în ciclul celular și sintetizează ADN ca răspuns la stimuli mitogeni externi. Limfokinele (de exemplu, interleukinele), citokinele (în special interferonii) și factorii de creștere polipeptidici, care interacționează cu receptorii lor de pe suprafața celulei, induc o cascadă de reacții de fosforilare a proteinelor intracelulare, însoțite de transmiterea semnalului de la suprafața celulei la nucleu și inducerea transcripției genelor corespunzătoare. Printre primele care sunt activate se numără genele care codifică proteine ​​ciclină, care își iau numele de la faptul că concentrația lor intracelulară se modifică periodic pe măsură ce celulele trec prin ciclul celular, atingând un maxim în anumite etape. Ciclinele sunt activatori specifici familiei protein kinaze dependente de ciclină(CDK - kinaze ciclindependente) - participanți cheie în inducerea transcripției genelor care controlează ciclul celular. Activarea unui CDK individual are loc după interacțiunea sa cu o ciclină specifică, iar formarea acestui complex devine posibilă după ce ciclina atinge o concentrație critică. Ca răspuns la o scădere a concentrației intracelulare a unei anumite cicline, CDK-ul corespunzător este inactivat reversibil. Unele CDK sunt activate de mai mult de o ciclină. În acest caz, un grup de cicline, ca și cum ar transfera proteine ​​kinaze între ele, le menține într-o stare activată pentru o lungă perioadă de timp. Astfel de unde de activare a CDK apar în timpul fazelor G1 și S ale ciclului celular.

În prezent, au fost identificate opt CDK-uri individuale (CDK1-CDK8), dintre care unele nu sunt direct implicate în reglarea ciclului celular. Lanțurile polipeptidice ale tuturor CDK-urilor sunt caracterizate prin omologie structurală ridicată (până la 75%). Specificitatea funcționării lor este asigurată de situsurile unice de legare pentru ciclinele de activare corespunzătoare.

În familia ciclinelor (ciclina A - ciclina J), sunt cunoscute cel puțin 14 proteine ​​individuale. Unii membri ai familiei formează subfamilii. De exemplu, subfamilia ciclinei de tip D este formată din trei membri: D1, D2 și D3. O caracteristică structurală comună a tuturor ciclinelor este prezența în lanțul lor polipeptidic a unei secvențe de aproximativ 100 de resturi de aminoacizi, numite cutie de ciclină. Ciclinele schimbă rapid proteine ​​cu un timp de înjumătățire scurt, care este de 15-20 de minute pentru ciclinele de tip D. Aceasta asigură dinamism complexelor lor cu kinaze dependente de ciclină. Secvența N-terminală a resturilor de aminoacizi numită cutie de distrugere(cutie de distrugere). Pe măsură ce celulele progresează prin ciclul celular, activarea CDK-urilor individuale este urmată de inactivarea lor după cum este necesar. În acest din urmă caz, are loc degradarea proteolitică a ciclinei, care este în complex cu CDK, care începe cu o cutie de distrugere.

Ciclinele în sine nu pot activa complet CDK-urile corespunzătoare. Pentru a finaliza procesul de activare, trebuie să aibă loc fosforilarea și defosforilarea specifică a anumitor resturi de aminoacizi din lanțurile polipeptidice ale acestor proteine ​​kinaze. Cele mai multe dintre aceste reacții sunt efectuate de kinaza de activare a CDK (CAK), care este un complex de CDK7 cu ciclina H. Astfel, CDK-urile devin capabile să-și îndeplinească funcțiile în ciclul celular numai după interacțiunea lor cu ciclinele corespunzătoare și post-translaționale. modificări sub acțiunea CAK și a altor proteine ​​similare care reglează ciclul celular.

Începutul diviziunii celulare eucariote

Ca răspuns la un stimul mitogen, o celulă în faza G0 sau G1 timpurie își începe progresia prin ciclul celular. Ca urmare a inducerii exprimării genelor ciclinelor D și E, care sunt de obicei combinate în grupul de cicline G1, crește concentrația lor intracelulară. Ciclinele D1, D2 și D3 formează un complex cu kinazele CDK4 și CDK6. Spre deosebire de ciclina D1, ultimele două cicline se asociază, de asemenea, cu CDK. Diferențele funcționale dintre aceste trei cicline sunt în prezent necunoscute, dar datele disponibile indică faptul că ating concentrații critice în diferite stadii de dezvoltare a fazei G1. Aceste diferențe sunt specifice tipului de celule în proliferare.

Activarea CDK2/4/6 duce la fosforilarea produsului proteic al genei retinoblastomului pRb și a proteinelor asociate p107 și p130. La începutul fazei G1, proteina pRb este slab fosforilată, ceea ce îi permite să fie într-un complex cu factorul de transcripție E2F, care joacă un rol cheie în inducerea sintezei ADN, și blochează activitatea acestuia. Forma complet fosforilată a pRb eliberează E2F din complex, ceea ce duce la activarea transcripțională a genelor care controlează replicarea ADN-ului. Concentrația de D-cicline crește în timpul fazei G 1 a ciclului celular și atinge o valoare maximă imediat înainte de începerea fazei S, după care începe să scadă. Cu toate acestea, în acest moment, pRb nu este încă complet fosforilat, iar factorul E2F rămâne în complex într-o stare inactivă. Fosforilarea pRb este finalizată de CDK2, activat de ciclina E. Concentrația intracelulară a acestuia din urmă devine maximă în momentul tranziției ciclului celular de la faza G 1 la faza S. Astfel, complexul ciclin E-CDK2 preia din complecșii ciclin D cu CDK4 și CDK6 și completează fosforilarea pRb, însoțită de eliberarea factorului de transcripție activ E2F. Ca urmare, începe sinteza ADN-ului, adică celula intră în faza S a ciclului celular.

Sinteza ADN-ului în faza S a ciclului celular

După ce celula intră în faza S, are loc degradarea rapidă a ciclinei E și activarea CDK2 de către ciclina A. Ciclina E începe să fie sintetizată la sfârșitul fazei G1 și interacțiunea acesteia cu CDK2 este o condiție necesară pentru ca celula să intre. faza S și continuă sinteza ADN-ului. Acest complex activează sinteza ADN-ului prin fosforilarea proteinelor la originile replicării. Semnalul pentru finalizarea fazei S și trecerea celulei la faza G2 este activarea de către ciclina A a unei alte kinaze CDK1 cu încetarea simultană a activării CDK Întârzierea dintre sfârșitul sintezei ADN-ului și începutul mitoza (faza G2) este utilizată de celulă pentru a controla completitatea și acuratețea replicării cromozomilor care a avut loc.

Semnalul de a începe diviziunea celulară (mitoza) vine de la factorul MPF (factor de promovare a fazei M), care stimulează faza M a ciclului celular. MPF este un complex al kinazei CDK1 cu ciclinele sale de activare A sau B. Se pare că complexul CDK1-ciclină A joacă un rol mai important în completarea fazei S și pregătirea celulei pentru diviziune, în timp ce complexul CDK1-ciclină B în primul rând controlează succesiunea evenimentelor asociate mitozei. În prezent, au fost identificate două cicline de tip B: B1 și B. Deși ambele cicline par să aibă aceleași funcții, ele acționează în părți diferite celule. Astfel, ciclina B1 este asociată predominant cu microtubuli, în timp ce ciclina B2 se găsește în regiunea aparatului Golgi.

Ciclinele B1 și B2 sunt prezente în concentrații foarte mici în faza G1. Concentrația lor începe să crească la sfârșitul S și pe tot parcursul fazelor G2, atingând maximul în timpul mitozei, ceea ce duce la înlocuirea lor a ciclinei A în complex cu CDK1. Cu toate acestea, acest lucru nu este suficient pentru a activa pe deplin protein kinaza. Competența funcțională a CDK1 este atinsă după o serie de fosforilări și defosforilări la anumite resturi de aminoacizi. Acest control fin este necesar pentru a preveni intrarea celulelor în mitoză înainte ca sinteza ADN-ului să fie completă.

Diviziunea celulară începe numai după ce CDK1, care se află într-un complex cu ciclina B, este fosforilat la resturile Thr-14 și Tyr-16 de către protein kinaza WEE1, precum și la restul Thr-161 de către protein kinaza CAK și apoi defosforilat la reziduuri Thr-14 şi Tyr-15 fosfatază CDC25. Activat în acest fel, CDK1 fosforilează proteinele structurale din nucleu, inclusiv nucleolina, laminele nucleare și vimentina. După aceasta, nucleul începe să treacă prin etapele mitozei, care se disting citologic clar, dar nu au fost încă suficient studiate la nivel molecular. Prima etapă a mitozei, profaza, începe după ce CDK1 este complet fosforilat, urmată de metafază, anafază și telofază, care se termină cu diviziunea celulară, citokineza. Consecința acestor procese este distribuția corectă a cromozomilor replicați, a proteinelor nucleare și citoplasmatice, precum și a altor compuși cu greutate moleculară mare și mică în celulele fiice. După terminarea citokinezei, ciclina B este distrusă, însoțită de inactivarea CDK1, ceea ce duce la intrarea celulei în faza G 1 sau G 0 a ciclului celular.

faza G0 a ciclului celular

Unele tipuri de celule aflate în anumite stadii de diferențiere se pot opri din divizarea, menținându-și pe deplin viabilitatea. Această stare a celulelor se numește faza G 0. Celulele care au atins o stare de diferențiere terminală nu mai pot ieși din această fază. În același timp, celulele care au o capacitate extrem de scăzută de a se diviza, cum ar fi hepatocitele, pot reintra în ciclul celular după ce o parte din ficat este îndepărtată.

Tranziția celulelor la o stare de repaus devine posibilă datorită funcționării inhibitorilor ciclului celular foarte specifici. Cu participarea acestor proteine, celulele pot opri proliferarea în condiții de mediu nefavorabile, când ADN-ul este deteriorat sau apar erori grave în replicarea acestuia. Astfel de pauze sunt folosite de celule pentru a repara daunele care au avut loc.

Inhibitori ai ciclului celular

Există două etape principale în ciclul celular (puncte de tranziție, R - puncte de restricție), în care pot fi implementate influențe regulatoare negative, oprind progresia celulelor prin ciclul celular. Una dintre aceste etape controlează tranziția celulei la sinteza ADN-ului, iar cealaltă controlează începutul mitozei. Există și alte etape reglementate ale ciclului celular.

Tranziția celulelor de la o fază a ciclului celular la alta este controlată la nivelul activării CDK de către ciclinele lor, cu participarea inhibitorilor kinazei dependenți de ciclină CKI. După cum este necesar, acești inhibitori pot fi activați și pot bloca interacțiunea CDK-urilor cu ciclinele lor și, prin urmare, ciclul celular în sine. După o schimbare a condițiilor externe sau interne, celula poate continua să prolifereze sau să intre pe calea apoptozei.

Există două grupuri de CKI: proteine ​​din familiile p21 și INK4 (inhibitor al CDK4), membrii cărora din familii au proprietăți structurale similare. Familia de inhibitori p21 include trei proteine: p21 în sine, p27 și p57. Deoarece aceste proteine ​​au fost descrise independent de mai multe grupuri, denumirile lor alternative sunt încă folosite. Astfel, proteina p21 este cunoscută și sub denumirea de WAF1 (fragmentul activat p53 de tip sălbatic 1), CIP1 (proteina de interacțiune CDK2 1), SDI1 (inhibitor 1 derivat senescent) și mda-6 (genă asociată diferențierii melanomului). Sinonime pentru p27 și p57 sunt KIP1 și KIP2 (proteinele 1 și 2 care inhibă kinaza). Toate aceste proteine ​​au o specificitate largă de acțiune și pot inhiba diferite CDK. În schimb, grupul inhibitorilor INK4 este mai specific. Include patru proteine: p 15INK4B, p 16INK4A, p 18INK4C și p 19INK4D. Până de curând, se presupunea că toți inhibitorii familiei INK4 funcționează în timpul fazei G 1 a ciclului celular, inhibând activitatea kinazei CDK4. Cu toate acestea, al doilea produs proteic descoperit recent al genei INK4A, p19 ARF, interacționează cu factorul de reglare MDM2 al proteinei p53 și inactivează factorul. Aceasta este însoțită de o creștere a stabilității proteinei p53 și de oprirea ciclului celular.

Mecanisme de control al tranziției de la faza G 1 la faza S a ciclului celular

Înainte de debutul ciclului celular activ, proteina p27, fiind în concentrație mare, împiedică activarea protein kinazelor CDK4 sau CDK6 de către ciclinele D1, D2 sau D3. În aceste condiții, celula rămâne în faza G0 sau faza G1 timpurie până când primește un stimul mitogen. După stimularea adecvată, concentrația inhibitorului p27 scade pe fondul creșterii conținutului intracelular al ciclinelor D. Aceasta este însoțită de activarea CDK și, în cele din urmă, de fosforilarea proteinei pRb, eliberarea factorului de transcripție asociat E2F și activarea transcripției genelor corespunzătoare.

În timpul acestor etape incipiente ale fazei G 1 a ciclului celular, concentrația proteinei p27 este încă destul de mare. Prin urmare, după încetarea stimulării mitogenice a celulelor, conținutul acestei proteine ​​este restabilit rapid la un nivel critic și trecerea ulterioară a celulelor prin ciclul celular este blocată în stadiul corespunzătoare G1. Această reversibilitate este posibilă până când faza G 1 în dezvoltarea sa atinge un anumit stadiu, numit punct de tranziție, după care celula devine angajată în diviziune, iar îndepărtarea factorilor de creștere din mediu nu este însoțită de inhibarea ciclului celular. Deși din acest moment celulele devin independente de semnalele externe pentru a se diviza, ele își păstrează capacitatea de a autocontrola ciclul celular.

Inhibitorii CDK din familia INK4 (p15, p16, p18 și p19) interacționează în mod specific cu kinazele CDK4 și CDK6. Proteinele p15 și p16 au fost identificate ca supresoare tumorale, iar sinteza lor este reglată de proteina pRb. Toate cele patru proteine ​​blochează activarea CDK4 și CDK6, fie prin slăbirea interacțiunii lor cu ciclinele, fie prin îndepărtarea lor din complex. Deși ambele proteine ​​p16 și p27 au capacitatea de a inhiba activitatea CDK4 și CDK6, prima are o afinitate mai mare pentru aceste proteine ​​kinaze. Se crede că, dacă concentrația de p16 crește până la un nivel la care inhibă complet activitatea kinazelor CDK4/6, proteina p27 devine principalul inhibitor al kinazei CDK.

În primele etape ale ciclului celular, celulele sănătoase pot recunoaște deteriorarea ADN-ului și pot răspunde la aceasta prin întârzierea progresiei ciclului celular în faza G 1 până când deteriorarea este reparată. De exemplu, ca răspuns la deteriorarea ADN-ului cauzată de lumina ultravioletă sau radiațiile ionizante, proteina p53 induce transcripția genei proteinei p21. Creșterea concentrației sale intracelulare blochează activarea CDK2 de către ciclinele E sau A. Aceasta oprește celulele în faza tardivă G 1 sau faza S timpurie a ciclului celular. În acest moment, celula însăși își determină soarta viitoare - dacă deteriorarea nu poate fi eliminată, intră în apoptoză, adică. se sinucide.

Reglarea tranziției ciclului celular de la faza G2 la faza M

Răspunsul celulei la deteriorarea ADN-ului poate apărea mai târziu, înainte de debutul mitozei. Și în acest caz, proteina p53 induce sinteza inhibitorului p21, care împiedică activarea kinazei CDK1 de către ciclina B și întârzie dezvoltare ulterioară ciclul celulei. Trecerea unei celule prin mitoză este, de asemenea, strâns controlată - etapele ulterioare nu încep fără finalizarea completă a celor anterioare. Unii dintre acești inhibitori au fost identificați în drojdie, dar omologii lor animale rămân necunoscuți. De exemplu, au fost descrise recent două proteine ​​de drojdie BUB1 (mugurire neinhibată de benomil) și MAD2 (deficit de stop mitotic), care controlează atașarea cromozomilor condensați la fusul mitotic în metafaza mitozei. Înainte ca asamblarea corectă a acestor complexe să fie finalizată, proteina MAD2 formează un complex cu protein kinaza CDC20 și o inactivează. CDC20, la activare, fosforilează proteinele și, ca urmare, le blochează pe acelea dintre funcțiile lor care împiedică divergența fiecăreia dintre cele două cromatide omoloage în timpul citokinezei.

Mesagerii secundari distribuie semnale între proteinele care sunt situate la o anumită distanță unele de altele.

CAMP și Ca2+ sunt mesageri secundi obișnuiți.

Transmiterea semnalului folosește atât proteine, cât și molecule mici, având proprietăți caracteristice. Moleculele mici care funcționează ca semnale intracelulare, sau mesageri secunde, au mai multe avantaje față de proteine ​​ca intermediari de semnalizare. Moleculele mici se formează rapid și se descompun la fel de repede.

Pentru că ei sunt sintetizate rapid, ele pot acționa în concentrații mari, astfel încât afinitatea lor pentru proteinele țintă poate fi scăzută. Afinitatea scăzută permite moleculelor mici să se disocieze imediat, astfel încât transducția semnalului să poată fi întreruptă rapid atunci când moleculele de mesager secund libere sunt defalcate sau inactivate.

Deoarece moleculele de mesager secund mici, ele sunt capabile să se răspândească rapid în întreaga celulă, deși multe celule au mecanisme care împiedică acest lucru. Astfel, atunci când dezvoltă un răspuns rapid la un semnal, mai ales când vine vorba de acoperirea unei distanțe, mesagerii secundari au o serie de avantaje față de proteine.

Secundar mesageri sunt de asemenea utilizate atunci când este necesar să se adreseze simultan semnale către mai multe proteine ​​țintă. Aceste avantaje compensează adesea lipsa lor de activitate catalitică și incapacitatea de a lega mai multe molecule simultan.

Figura de mai jos arată mesageri secundi intracelulari care au apărut în celule în timpul evoluției. Numărul lor este mic, ceea ce este surprinzător. Unele sunt nucleotide formate din precursori metabolici de bază. Acestea sunt cAMP, cGMP, ffGfff și cicloADP-riboză. Alți mesageri secundi solubili includ zaharuri fosforilate, inozitol 1,4,5-trifosfat (IP3) și ionul divalent de Ca2+, precum și radicalul liber, oxidul nitric (NO).

LA mesageri secundari de natură lipidică includ diacilglicerol și fosfatidilinozitol-3,4,5-trifosfat, fosfatidilinozitol-4,5-difosfat, sfingozin-1-fosfat și acid fosfatidic.

Prima dintre moleculele de semnalizare descrise ca un al doilea mesager este cAMP. A primit acest nume deoarece cAMP se formează în celulele animale ca un al doilea semnal intracelular, ca răspuns la acțiunea multor hormoni extracelulari, adică primii mesageri în calea de transmitere a semnalului. AMPc participă la transmiterea informațiilor către diferite proteine ​​​​regulatoare din procariote, ciuperci și celule de mamifere (prezența sa în plantele superioare nu a fost încă dovedită).

Activitate adenilat ciclază, enzima care sintetizează cAMP din ATP, este reglată în moduri diferite, în funcție de organismul în care funcționează. La animale, adenilat ciclaza este o proteină integrală membrană plasmatică, iar formele sale multiple sunt activate prin acțiunea diverșilor agenți. În celulele animale, adenilat ciclaza este de obicei activată de Gs, care a fost descris inițial ca un regulator al activității enzimatice. Unele enzime fungice sunt, de asemenea, activate de proteinele G. Ciclazele bacteriene sunt caracterizate prin sisteme de reglare a activității mai diverse.

tabărăîndepărtat în două moduri. Poate lăsa celula sub acțiunea unei pompe anionice dependente de ATP, dar este mult mai des hidrolizată de membrii familiei fosfodiesterazei nucleotidelor ciclice. Acesta este un grup mare de proteine ​​care sunt ele însele sub control regulator multiplu.

Prototip de regulator tabără la animale este o protein kinază dependentă de cAMP, dar la scurt timp după identificarea acestei enzime a fost descoperit un factor de transcripție reglat de cAMP, iar alți efectori sunt acum cunoscuți. Sistemul cAMP rămâne sistemul de semnalizare prototip al eucariotelor. Acest lucru se reflectă în faptul că componentele sale reprezintă aproape toate soiuri cunoscute molecule de semnalizare și demonstrează toate tipurile de interacțiuni ale acestora: hormon, receptor, proteină G, adenilat ciclază, protein kinază, fosfodiesteraza și pompă excretoare.

Protein kinaza RKA, a cărui activitate este stimulată de un al doilea mesager, este un tetramer format din două subunități catalitice (C) și două de reglare (R). Subunitatea R se leagă de subunitatea catalitică prin intermediul situsului de legare a substratului și astfel C este menținut într-o stare inactivă. Fiecare subunitate R leagă două molecule de nucleotidă ciclică, adică patru molecule de AMPc per holoenzimă PKA. Când locurile de legare sunt umplute, dimerul subunităților R se disociază rapid, lăsând două subunități catalitice libere foarte active.

Afinitatea lui R la C în prezența și absența cAMP, diferă de aproximativ 10.000 de ori. Natura pronunțată de cooperare a legării cAMP duce la o creștere foarte abruptă a curbei de activare și la un prag sub care nu are loc activarea semnificativă a PKA. Astfel, activitatea PKA crește brusc într-un interval foarte îngust de concentrații de cAMP. PKA este, de asemenea, reglementată de fosforilarea buclei de activare. Fosforilarea are loc simultan cu translația și este necesară pentru asamblarea tetramerului R2C2.

Mai ales RKA sunt proteine ​​citosolice și ocupă locuri specifice în celulă, legându-se de structurile cadru ale organitelor (proteinele de ancorare a kinazei A sau AKAP). Aceste AKAP promovează fosforilarea proteinelor membranare, inclusiv GPCR, transportori și canale ionice. Ele asigură, de asemenea, localizarea PKA în alte locuri: în mitocondrii, citoschelet și centrozomi. AKAP-urile conțin adesea locuri de legare pentru moleculele de reglare, cum ar fi fosfoprotein fosfataze și alte protein kinaze, care sunt necesare pentru coordonarea funcționării căilor multiple de semnalizare și integrarea semnalelor de ieșire.

De obicei RKA fosforilează substraturile folosind secvența Arg-Arg-Xaa-Ser-residu hidrofob, care într-un grup mare de kinaze recunoaște reziduurile bazice de aminoacizi situate în amonte de situsul de fosforilare. PKA este implicată în reglarea activității diferitelor proteine ​​intracelulare, de la canalele ionice până la factorii de transcripție și, datorită specificității de substrat a enzimei, este adesea posibil să se prezică dacă este un substrat pentru kinază pe baza analizei structurii primare. a proteinei.

RKA fosforilează Ser 133 în CREB, care este o proteină de legare a elementelor dependentă de cAMP care este responsabilă pentru efectul major al cAMP asupra transcripției multor gene.

Mesagerii secundari (secunzi mesageri) sunt molecule de semnalizare mici, componente ale sistemului de transmisie a semnalului din celulă. Mesagerii secundari sunt componente ale cascadelor de transducție a semnalului care sunt produse rapid și, ulterior, activează proteinele efectoare care mediază răspunsul celular.

Cei mai obișnuiți mesageri secundari includ cAMP (monofosfat de adenozină) și alte nucleotide ciclice, ioni de calciu, oxid nitric. Concentrația de mesageri secundi în citosol poate fi crescută în diferite moduri:

Activarea enzimelor care le sintetizează, ca, de exemplu, în cazul activării ciclazelor care formează forme ciclice de nucleotide (cAMP, cGMP), prin deschiderea canalelor ionice care permit fluxul ionilor metalici, de exemplu, ionii de calciu, în celula. Aceste molecule mici pot lega și activa în continuare moleculele efectoare - protein kinaze, canale ionice și o varietate de alte proteine.

A. AMP ciclic

Biosinteza. Nucleotida este sintetizată de adenilat ciclaze membranare, o familie de enzime care catalizează reacția de ciclizare a ATP (ATP) pentru a forma cAMP și pirofosfat anorganic. Scindarea cAMP pentru a forma AMP (AMP) este catalizată de fosfodiesteraze, care sunt inhibate de concentrații mari de derivați metilați de xantină, cum ar fi cofeina.

Activitatea adenilat-ciclazei este controlată de proteinele G, care la rândul lor sunt asociate cu receptorii de tip 3 controlați de semnale externe. Majoritatea proteinelor G (proteinele Gs) activează adenilat ciclaza, unele proteine ​​G o inhibă (proteinele Gi). Unele adenilat ciclaze sunt activate de complexul Ca2+.

Mecanism de acțiune. cAMP este un efector alosteric al proteinei kinazei A (PK-A) și al canalelor ionice. În starea inactivă, PC-A este un tetramer, ale cărui două subunități catalitice (subunități K) sunt inhibate de subunități reglatoare (subunități P) (autoinhibare).

Când cAMP se leagă, subunitățile P se disociază de complex și unitățile K sunt activate. Enzima poate fosforila reziduuri specifice de serină și treonină în mai mult de 100 de proteine ​​diferite, inclusiv multe enzime și factori de transcripție. Ca urmare a fosforilării, activitatea funcțională a acestor proteine ​​se modifică.

Alături de cAMP, cGMP (guanozin monofosfat) poate servi și ca mesager secundar. Ambii compuși diferă în ceea ce privește metabolismul și mecanismul de acțiune.

B. Rolul ionilor de calciu

Nivelul ionilor de calciu. Concentrația ionilor de Ca2+ în citoplasma unei celule nestimulate este foarte scăzută. Nivel scăzut susținută de ATPazele de calciu (pompe de calciu) și schimbătoarele sodiu-calciu. O creștere bruscă a concentrației ionilor de Ca2+ în citoplasmă are loc ca urmare a deschiderii canalelor de calciu în membrana plasmatică sau a depozitelor intracelulare de calciu (reticul endoplasmatic neted și aspru). Deschiderea canalelor poate fi cauzată de depolarizarea membranei sau de acțiunea unor substanțe de semnalizare, neurotransmițători (glutamat și ATP), mesageri secundari (cAMP), precum și substanța derivată din plante ryanodine. În citoplasmă și organele celulare există multe proteine ​​capabile să lege Ca2+, unele dintre ele acționând ca un tampon.

La o concentrație mare în citoplasmă, ionii de Ca2+ au un efect citotoxic asupra celulei. Prin urmare, nivelul de calciu dintr-o celulă individuală se confruntă cu vârfuri pe termen scurt, crescând de 5-10 ori.

Acțiunea calciului este mediată de proteine ​​speciale care leagă Ca2+ („senzori de calciu”), care includ anexina, calmodulina și troponina. Calmodulina, o proteină relativ mică, este prezentă în toate celulele animale.

Mesageri– substanțe cu molecularitate scăzută care transportă semnale hormonale în interiorul celulei. Au o rată mare de mișcare, clivaj sau îndepărtare (Ca 2+, cAMP, cGMP, DAG, ITP).

Încălcări în schimbul de mesageri duc la consecințe grave. De exemplu, esterii de forbol, care sunt analogi ai DAG, dar spre deosebire de care nu sunt degradați în organism, contribuie la dezvoltarea tumorilor maligne.

tabără descoperit de Sutherland în anii '50 ai secolului trecut. Pentru această descoperire a primit Premiul Nobel. cAMP este implicat în mobilizarea rezervelor de energie (descompunerea carbohidraților în ficat sau a trigliceridelor în celulele adipoase), în reținerea apei de către rinichi, în normalizarea metabolismului calciului, în creșterea forței și frecvenței contracțiilor inimii, în formarea de hormoni steroizi, în relaxarea mușchilor netezi și așa mai departe.

cGMP activează PC G, PDE, Ca 2+ -ATPaza, închide canalele de Ca 2+ și reduce nivelul de Ca 2+ din citoplasmă.

Enzime

Enzimele sistemelor în cascadă catalizează:

• formarea de mesageri secundari ai semnalului hormonal;
• activarea și inhibarea altor enzime;
• transformarea substraturilor în produse;

Adenilat ciclază (AC)

O glicoproteină cu o masă de 120 până la 150 kDa, are 8 izoforme, o enzimă cheie a sistemului adenil-ciclazei, cu Mg 2+ catalizează formarea cAMP mesagerului secundar din ATP.

AC conține 2 grupări –SH, una pentru interacțiunea cu proteina G, cealaltă pentru cataliză. AC conține mai mulți centri alosterici: pentru Mg 2+, Mn 2+, Ca 2+, adenozină și forskolină.

Se găsește în toate celulele, situate pe partea interioară a membranei celulare. Activitatea AC este controlată de: 1) regulatori extracelulari - hormoni, eicosanoizi, amine biogene prin proteine ​​G; 2) regulator intracelular de Ca 2+ (4 izoforme AC dependente de Ca 2+ sunt activate de Ca 2+).

Protein kinaza A (PK A)

PC A este prezent în toate celulele, catalizează reacția de fosforilare a grupelor OH ale serinei și treoninei proteinelor și enzimelor reglatoare, participă la sistemul adenilat-ciclazei și este stimulată de cAMP. PC A este format din 4 subunități: 2 de reglementare R(masă 38000 Da) și 2 catalitice CU(masa 49000 Da). Subunitățile de reglementare au 2 situsuri de legare a cAMP. Tetramerul nu are activitate catalitică. Adăugarea a 4 AMPc la 2 subunități R conduce la o schimbare a conformației lor și la disocierea tetramerului. Aceasta eliberează 2 subunități catalitice active C, care catalizează reacția de fosforilare a proteinelor și enzimelor reglatoare, ceea ce le modifică activitatea.

Protein kinaza C (PK C)

PC C participă la sistemul inozitol trifosfat și este stimulat de Ca2+, DAG și fosfatidilserina. Are un domeniu reglator și catalitic. PC C catalizează reacția de fosforilare a proteinelor enzimatice.

Protein kinaza G (PK G) găsit numai în plămâni, cerebel, mușchii netezi și trombocite, participă la sistemul guanilat ciclază. PC G conține 2 subunități, este stimulat de cGMP și catalizează reacția de fosforilare a proteinelor enzimatice.

Fosfolipaza C (PL C)

Hidrolizează legătura fosfoesterică în fosfatidilinozitol pentru a forma DAG și IP 3, are 10 izoforme. PL C este reglat prin proteine ​​G și activat de Ca2+.

Fosfodiesteraza (PDE)

PDE convertește cAMP și cGMP în AMP și GMP, inactivând sistemul de adenil ciclază și guanilat ciclază. PDE este activată de Ca2+, 4Ca2+-calmodulină, cGMP.

NU sintaza este o enzimă complexă, care este un dimer cu mai mulți cofactori atașați la fiecare dintre subunitățile sale. NO sintaza are izoforme.

Majoritatea celulelor corpului uman și animal sunt capabile să sintetizeze și să elibereze NO, dar cele mai studiate au fost trei populații de celule: endoteliul vaselor de sânge, neuronii și macrofagele. În funcție de tipul de țesut de sinteză, NO sintetaza are 3 izoforme principale: neuronală, macrofagică și endotelială (denumită NO sintază I, II și respectiv III).

Izoformele neuronale și endoteliale ale NO sintazei sunt prezente constant în celule în cantități mici și sintetizează NO în concentrații fiziologice. Ele sunt activate de complexul calmodulin-4Ca 2+.

NO sintaza II este în mod normal absentă în macrofage. Atunci când macrofagele sunt expuse la lipopolizaharide de origine microbiană sau citokine, ele sintetizează o cantitate uriașă de NO sintaza II (de 100-1000 de ori mai mult decât NO sintaza I și III), care produce NO în concentrații toxice. Glucocorticoizii (hidrocortizon, cortizol), cunoscuți pentru activitatea lor antiinflamatoare, inhibă expresia NO sintazei în celule.

Acțiunea NR

NO este un gaz cu greutate moleculară mică, pătrunde cu ușurință în membranele celulare și componentele substanței intercelulare, are o reactivitate ridicată, timpul de înjumătățire în medie nu este mai mare de 5 s, distanța posibilă de difuzie este mică, în medie 30 microni.

La concentrații fiziologice, NO are un efect vasodilatator puternic.:

· Endoteliul produce constant cantitati mici de NO.

· Sub diferite influențe - mecanice (de exemplu, cu creșterea fluxului sanguin sau pulsație), chimice (lipopolizaharide bacteriene, citokine ale limfocitelor și trombocitelor etc.) - sinteza NO în celulele endoteliale crește semnificativ.

· NO din endoteliu difuzează către celulele musculare netede vecine ale peretelui vasului și activează în ele guanilat ciclaza, care sintetizează cGMP prin 5c.

· cGMP duce la o scădere a nivelului ionilor de calciu din citosolul celulelor și o slăbire a conexiunii dintre miozină și actină, ceea ce permite celulelor să se relaxeze după 10 s.

Medicamentul nitroglicerina funcționează pe acest principiu. Când nitroglicerina este descompusă, se formează NO, ceea ce duce la dilatarea vaselor de sânge ale inimii și, ca urmare, ameliorează senzația de durere.

NO reglează lumenul vaselor cerebrale. Activarea neuronilor în orice zonă a creierului duce la excitarea neuronilor care conțin NO sintază și/sau astrocite, în care poate fi, de asemenea, indusă sinteza NO, iar gazul eliberat din celule duce la dilatarea locală a vaselor de sânge din zonă. de excitare.

NO este implicat în dezvoltarea șocului septic, atunci când un număr mare de microorganisme care circulă în sânge activează brusc sinteza NO în endoteliu, ceea ce duce la dilatarea prelungită și puternică a vaselor mici de sânge și, ca urmare, la o scădere semnificativă. în tensiunea arterială, care este greu de răspuns la efectele terapeutice.

La concentrații fiziologice, NO îmbunătățește proprietățile reologice ale sângelui:

NO, format în endoteliu, împiedică aderarea leucocitelor și trombocitelor la endoteliu și reduce, de asemenea, agregarea acestora din urmă.

NO poate acționa ca un factor anti-creștere care împiedică proliferarea celulelor musculare netede în peretele vascular, o verigă importantă în patogeneza aterosclerozei.

În concentrații mari, NO are un efect citostatic și citolitic asupra celulelor (bacteriene, canceroase etc.) după cum urmează:

· când NO interacționează cu anionul radical superoxid, se formează peroxinitrit (ONOO-), care este un puternic oxidant toxic;

· NO se leagă puternic de grupul hemin al enzimelor care conțin fier și le inhibă (inhibarea enzimelor de fosforilare oxidativă mitocondrială blochează sinteza ATP, inhibarea enzimelor de replicare a ADN-ului contribuie la acumularea de deteriorare a ADN-ului).

· NO și peroxinitritul pot deteriora direct ADN-ul, acest lucru duce la activarea mecanismelor de protecție, în special stimularea enzimei poli(ADP-riboză) sintetazei, care reduce și mai mult nivelul ATP și poate duce la moartea celulelor (prin apoptoză).

Informații conexe.

Viața oricărei celule, inclusiv procesele globale de creștere, diviziune și chiar moarte, depinde de semnalele de reglare externe pe care le percepe. Astfel de semnale pot fi influențe fizice (temperatură, radiații ionizante și alte radiații electromagnetice) sau numeroși compuși chimici. Substanțele bine studiate pe care organismul le folosește pentru reglarea activității celulare sunt, de exemplu, hormonii steroizi, citokinele sau factorii de creștere, care, la atingerea celulelor țintă, provoacă modificări metabolice specifice în acestea, inclusiv modificări ale expresiei unor grupuri mari de gene. Un răspuns la fel de puternic și adesea specific este cauzat de diferite substanțe fiziologic active de origine exogenă, precum feromonii sau toxinele.

Toate aceste semnale, transmise prin moleculele de semnalizare corespunzătoare, sunt primare în raport cu acele cascade de reacții biochimice care sunt lansate în celule ca răspuns la influența lor. Semnalele primare sunt recunoscute de celule datorită prezenței unor molecule speciale de receptor de natură proteică care interacționează cu moleculele de semnalizare primară sau influențe de natură fizică. Semnalul primar, de regulă, nu afectează direct acele procese metabolice din celulă pe care intenționează să le regleze. În schimb, receptorul care îl percepe inițiază formarea în celulă a unor compuși chimici intermediari care declanșează procese intracelulare, impactul cărora a fost scopul semnalului extracelular primar. Deoarece astfel de compuși intermediari poartă informații despre semnalul de reglare primar și sunt purtătorii săi secundari, ei sunt numiți mesageri secundari. Pot fi diverși ioni, nucleotide ciclice, produși de degradare a lipidelor și o serie de alți compuși chimici de origine biogenă.

Utilizarea sistemelor de mesager secund de către eucariote îi duce la un nou nivel de integrare a tuturor proceselor metabolice și catabolice, care este necesar pentru existența organismelor pluricelulare. În special, mesagerii secundari fac posibilă îmbunătățirea în mod repetat a semnalului de reglare primar de la moleculele de reglare extracelulare, care, datorită acestui fapt, își desfășoară acțiunea în timp ce se află în concentrații mici în spațiul extracelular. În plus, multe grupuri de celule și țesuturi dobândesc capacitatea de a avea același tip și răspuns simultan la un semnal de reglare primară, de exemplu, la acțiunea unui hormon al oricărui organ al sistemului endocrin. Acest lucru oferă capacitatea de a adapta rapid un organism multicelular la condițiile interne și de mediu în schimbare.

Transferul transmembranar al semnalelor primare. Pentru ca semnalul de reglare primar să ajungă la nucleu și să aibă efectul său asupra expresiei genelor țintă, acesta trebuie să treacă prin membrana cu dublu strat exact a acelor celule pentru care este destinat. De regulă, acest lucru se realizează datorită prezenței receptorilor proteici pe suprafața celulelor care selectează în mod specific semnalele din mediu pe care sunt capabile să le recunoască (Fig. I.22). În cel mai simplu caz, atunci când compușii chimici hidrofobi solubili în lipidele membranei (de exemplu, hormonii steroizi) acționează ca regulatori cu un nivel molecular scăzut, receptorii nu sunt utilizați pentru transferul lor și pătrund în celulă prin difuzie radială. În interiorul celulelor, astfel de compuși interacționează în mod specific cu receptorii proteici, iar complexul rezultat este transferat în nucleu, unde își exercită efectul de reglare asupra transcripției genelor corespunzătoare (vezi Fig. I.22, A).

În schimb, receptorii membranari orientați în spațiul extracelular au capacitatea de a transporta ligand-regulatorul în celule prin endocitoză (absorbție prin retragerea membranei) a complexului ligand-receptor din veziculele membranei. Acest mecanism este utilizat, în special, pentru a transporta moleculele de colesterol asociate cu receptorii de lipoproteine ​​cu densitate joasă în celule (vezi Fig. I.22, b). Un alt tip de receptor care vizează liganzii extracelulari este o moleculă transmembranară sau un grup de molecule. Interacțiunea cu ligandul părții externe a unor astfel de molecule este însoțită de inducerea activității enzimatice asociată cu partea intracelulară a aceleiași polipeptide (vezi Fig. I.22, V). Exemple de astfel de receptori care au activitate tirozin-protein kinază sunt receptorii pentru insulina, factorul de creştere epidermic sau factorul de creştere derivaţi de trombocite. La sinapsele neuronale și la joncțiunile neuromusculare, liganzii neurotransmițătorilor (cum ar fi acetilcolina sau acidul β-aminobutiric) interacționează cu canalele ionice transmembranare (vezi Fig. I.22, G). Ca răspuns la aceasta, canalele ionice se deschid, însoțite de mișcarea ionilor prin membrană și de o schimbare rapidă a potențialului electric transmembranar. Alți receptori transmembranari conectează proteinele matricei extracelulare cu microfilamentele citoscheletului celular și reglează forma celulei, în funcție de matricea extracelulară, motilitatea și creșterea acestora (vezi Fig. I.22, d). În cele din urmă, un grup mare de semnale extracelulare este recunoscut de receptorii asociați pe suprafața interioară a membranei cu proteine ​​de legare a GTP, care, la rândul lor, ca răspuns la semnalul primar, încep sinteza mesagerilor secundari care reglează activitatea proteinelor intracelulare. (vezi Fig. I.22, e). Clasificarea în funcție de caracteristicile structurale ale receptorilor care efectuează transferul de semnal în celule prin membrane este dată în tabel. I.12.

Orez. I.22. Metode de transmitere a semnalelor de reglare extracelulare prin membranele celulelor eucariote (A – e )

Y și Y-P sunt resturi Tyr nefosforilate și, respectiv, fosforilate în proteine. Este prezentată și transformarea precursorului X în mesagerul secundar Z

Toți receptorii implicați în transmiterea semnalului transmembranar sunt împărțiți în trei clase. În acest caz, de regulă, se ia în considerare asemănarea sau diferența dintre structurile secundare ale subunităților, și nu caracteristicile secvențelor lor de aminoacizi. Receptorii de clasa 1 formează structuri oligomerice în jurul porilor din membrane. Transferul de semnal în acest caz are loc ca urmare a deschiderii sau (într-un caz) închiderii canalelor ionice. Cea mai mare parte a receptorilor de clasa 2 sunt înglobate în membrane și fiecare dintre subunități conține secvențe recunoscute de proteinele G (vezi mai jos). Toate subunitățile din această clasă sunt caracterizate prin prezența unei secvențe transmembranare (TM) care traversează membrana de 7 ori. Subunitățile receptorilor de clasa 3 sunt imersate minim în membrane, ceea ce asigură mobilitatea receptorilor și posibilitatea internalizării acestora (tranziția în citoplasma celulelor ca parte a unei vezicule membranare). Majoritatea lanțurilor polipeptidice ale acestor subunități sunt expuse în afara celulelor.

Mesageri secundari. Ipoteza că efectele hormonilor asupra metabolismului celular și expresiei genelor sunt mediate de mesagerii secundari intracelulari a apărut pentru prima dată odată cu descoperirea adenozinei 3',5'-monofosfatului ciclic (cAMP) de către E. Sutherland la sfârșitul anilor 1950. Până în prezent, lista de mesageri secundari s-a extins și include guanozin-3',5'-monofosfat ciclic, fosfoinozitide, ioni de Ca 2+ și H +, metaboliți ai acizilor retinoic și arahidonic, protoxid de azot (NO), precum și unele alti compusi chimici de origine biogena . O analiză detaliată a caracteristicilor mecanismului de acțiune al fiecăruia dintre ele depășește scopul acestei monografii, deși toate pot avea un efect specific asupra expresiei genelor.