Внутри и межклеточная сигнализация

Клеточная сигнализация затрагивает все стороны биологии клетки
Клеточные пути сигнализации регулируют
Клеточный цикл- пролиферация
Цитоскелет- миграция клеток
Транскрипцию- дифференцировка
Перемещение мембран- экзоцитоз
Выживание и смерть - апоптоз
Развитие- формирование организма

Сигнальный путь это
Cинтез сигнальной молекулы
(2) Выделение сигнальной молекулы
(3) Транспорт сигнальной молекулы к клетке – мишени
(4) Взаимодействие со специфическим рецептором
(5) Инициация внутриклеточного пути переноса сигнала
(6) Изменение метаболизма, функции или развития клетки-мишени
(7) Выключение действия сигнала

Внутриклеточный сигнальный путь – это множество участников:
Белки -рецепторы
Белки-реле
Белки-адапторы
Белки- структурные организаторы
Белки- усилители и преобразователи
Белки – интеграторы
Белки –посредники…….
Но не только белки, а и нуклеотиды, аминокислоты, жирные кислоты, ионы кальция и другие маленькие молекулы

Откуда пошли сигналы
Лиганды-сигналы – это побочные продукты
метаболических путей , означавших избыток или
недостаток источников питания
Рецепторы и регуляторные белки были отобраны в процессе эволюции . В пользу этого говорит высокий консерватизм у разных видов живого в строении и функциях многих сигнальных путей

Что мы уже знаем о сигналах?

Что предстоит узнать

Все сигналы можно разделить на липофильные и гидрофильные
Липофильные молекулы, взаимодействуют с внутриклеточными рецепторами(стероиды, ретиноиды, NO и др.)
Гидрофильные молекулы, взаимодействуют с поверхностными рецепторами (нейромедиаторы, пептидные гормоны и факторы роста , цитокины)
Некоторые липофильные молекулы могут взаимодействовать с поверхностными рецепторами (простагландины и лейкотриены)
Факторы внешней среды, взаимодействуют с поверхностными рецепторами (свет, одоранты)

Липофильные сигналы проникают в клетку
Часто активируют гены
Медленный ответ
Гидрофильные сигналы не проникают в клетку
Их рецепторы на поверхности клетки
Быстрый ответ

Некоторые пути обмена сигналами

Классификация молeкул-сигналов
Сигнальные молекулы, построенные из аминокислот
Сигналы - сложные белки (тиреотропин, гонадотропины)
Сигналы - простые белки (соматотропин, инсулин )
Сигналы- пептиды ( глюкагон, кортикотропин , факторы роста, цитокины )
2. Производные аминокислот
(адреналин, серотонин, тироксин, мелатонин)
3. Стероиды (производные холестерола и других полиизопренов)
(альдостерон, кортизол, ретиноевая кислота, витамин Д)
4. Эйкозаноиды ( производные 20-углеродных, полиненасыщенных жирных кислот)
(простагландин Е1, тромбоксан А2).
Сигналы можно разделить по месту образования, растворимости в воде и неполярных растворителях и по другим критериям

Сигналы, построенные из аминокислот

Сигналы –производные аминокислот
тирозина :
Тироксин,
трииодтиронин
адреналин,
норадреналин
триптофана
-серотонин
-мелатонин

Стероиды (производные холестерола и других полиизопренов)

Производные С20 ненасыщенных жирных кислот (эйкозаноиды)

Механизмы синтеза сигнальных молекул определяются их химической структурой

Синтез производных холестерола
Ацетил-КоА

Синтез производных арахидоновой кислоты см. лекции по обмену липидов.

Сигналы: активные формы кислорода (АФК)
Источники :
Дыхательная цепь митохондрий
Микросомальное окисление (цитохромы Р450 и b5)
Мембранные ферменты- липооксигеназы, МАО и другие оксидазы пероксисом, НАДФН оксидазы и др

Сигналы: AGE (advanced glycation end products) Конечные продукты гликирования белков

Оксид азота (NO) образуется из аргинина
Фермент синтаза оксида азота (NOS) содержит четыре кофермента –ФАД, ФМН, гем и тетрагидроптерин и катализирует обе стадии этой реакции
NO – короткоживущий посредник (мессенжер), участвующий в регуляции артериального давления, свертывания крови и проведения нервных импульсов. NO связывается с гуанилатциклазой и активирует образование цГМФ вторичного посредника сигнальных систем клеток.

Свойства сигналов
Плейотропия – один и тот же сигнал действует на разные клетки, имеющие разные функции
Избыточность – разные сигналы оказывают одинаковый эффект
Синергичность – сигналы усиливают действие друг друга
Антагонизм – сигналы уменьшают действие друг друга
Каскадная индукция – значительное увеличение эффективности сигнала –одни сигналы индуцируют образование других

Особенности сигнальной регуляции
Концентрация сигналов во внеклеточной жидкости низкая - от 10-15 до 10-9 моль/л, а концентрация многих подобных по структуре молекул (стерины, аминокислоты, пептиды, белки) и других молекул во внеклеточной жидкости во много раз больше - от 10-5 до 10-3 моль/л.
Поэтому клетки - мишени должны уметь не только различать разные сигнальные молекулы , но и отличать их от структурно схожих молекул, присутствующих в 106 -109-кратном избытке. Такая высокая степень разрешающей способности обеспечивается специальными молекулами узнавания, названными рецепторами.

Рецепторы можно разделить на две большие группы – рецепторы, встроенные в плазматическую мембрану (наиболее распространенная группа) и
внутриклеточные рецепторы (цитозольные и ядерные)
Рецепторы первой группы по способу организации их в мембране разделяют на :
7-ТМС -рецепторы
1-ТМС-рецепторы(наиболее разнообразная группа)
Рецепторы - ионные каналы

1. 7-ТМС-рецепторы или R, ассоциированные с тримерными G-белками
2. 1-ТМС -рецепторы a) R, не обладающие каталитической активностью, но ассоциированные с цитозольными тирозинкиназами.
b) R, обладающие каталитической активностью (тирозинкиназы, гуанилатциклазы, протеинфосфатазы, серин/треонин киназы, и др)
c) R – молекулы клеточной адгезии
d) R, ассоциированные с процессами протеолиза
3.R – лигандзависимые ионные каналы ( рецептор ацетилхолина, глутамата и др.)
4. Цитозольные и ядерные R.
Молекулы – рецепторы ( R)

Рецепторы встроены в специальные участки мембран: рафты(«плоты» )

Рис. справа Кавеолин (голубой цвет)
Рафты могут быть встроены в кавеолы

В создании внутриклеточных путей передачи сигнала важную роль играют реакции фосфорилирования
Фосфорилирование меняет функцию белков путем их аллостерической модуляции или изменяя их способность взаимодействовать с другими молекулами
Фосфатная группа (PO4) присоединяется к одной или нескольким аминокислотам белка (наиболее часто Сер, Тре, Тир)
Ферменты, катализирующие фосфорилирование белков называются протеинкиназами
Фосфорилирование обратимо – у каждой киназы – своя фосфатаза.

Одна из задач внутриклеточного переноса сигнала – усиление сигнала
Механизмы усиления сигнала зависят от типа рецептора:
В системе усиления сигналов 7-ТМС-рецепторами усиление достигается синтезом небольших молекул- вторичных посредников
В системе усиления сигналов 1-ТМС-рецепторами усиление достигается при помощи специальных каскадов ферментов
В системе усиления сигналов рецепторами –ионными каналами усиление достигается увеличением концентрации ионов в цитозоле
Ядерные рецепторы после соединения с сигналами регулируют синтез белков –эффекторов
У каждого рецептора - как минимум два домена:
Домен, обеспечивающий специфическое узнавание сигнала
Домен, обеспечивающий связь с системой усиления сигнала

1. 7-ТМС-рецепторы или рецепторы, ассоциированные с тримерными G-белками
Среди мембранных рецепторов это наиболее распространенная группа рецепторов (>1% генома).
Они построены из общей центральной структуры, образованной 7 трансмембранными спиральными доменами.
7-ТМС- рецептор в 3D форме
7-ТМС- рецептор в плоскости мембраны

Механизм работы 7-ТМС рецептора
В зависимости от клеток фермент- эффектор (Е) – это:
Аденилатциклаза (Gs) или (Gi)
Ca2+, Na+, Cl - (Gs) или K + каналы (Gi)
Фосфолипаза Сβ (Gs)
цГМФ-фосфодиэстераза (Gs)
(Gs) – белок G активирует фермент или канал
(Gi) - белок G ингибирует фермент или канал

Вариант I Е – это аденилатциклаза - мембранный белок, катализирующий образование цАМФ из АТФ. Изменяет свою активность при контакте с α-субъединицей G- белка.

Сигналы, которые активируют образование цАМФ:
АКТГ, АДГ, кальцитонин, кортиколиберин, ФСГ, ЛГ, глюкагон, ТСГ, паратирин, адреналин (β-адренэрг. рецепторы) Эти сигналы работают с G(s) белками
Сигналы, которые тормозят образование цАМФ:
ацетилхолин, адреналин (α2 адренэрг. рецепторы), ангиотензин II, соматостатин. Эти сигналы работают с G(i) белками

Механизм действия вторичных посредников и еще раз к роли протеинкиназ

Еще один вариант работы 7 ТМС рецептора
Вариант II Е – это фосфолипаза Сβ
ФлСβ

Фосфолипаза Сβ -мембранный белок, катализирующий гидролиз фосфатидил инозитолфосфата с образованием ДАГ и инозитол трифосфата (ИФ3). Изменяет свою активность при контакте с α-субъединицей G белка.

CaBPs- белки, связывающие кальций

EF-hand - белки:
Названы по форме, образуемой E и F α-спиралями Ca++-связывающего домена; высокое сродство к кальцию
Кальмодулин:
синтезируется всеми клетками; связывает 4 иона Ca++; действует путем активирования или протеинкиназ (CaMK) или протеин фосфатаз (кальциневрин); активирует цAMФ фосфодиэстеразу
(более 100 разных белков связаны с кальмодулином)

А что ДАГ?
Или может стать субстратом для получения арахидоновой кислоты, необходимой для синтеза простагландинов

Примеры вторичных посредников, образуемых с участием 7-ТМС рецепторов
OPO32-
Ca2+
цАМФ
цГМФ
И3Ф
ДАГ

2. 1-ТМС-рецепторы, не обладающие каталитической активностью, но ассоциированные с цитозольными тирозинкиназами
Эти рецепторы открывают серию рецепторов, для которых лиганд –сигнал димеризации – образования димеров. Два рецептора вместе становятся активными участниками переноса сигнала внутрь клетки.
Рецепторы, связывающие внутриклеточные тирозинкиназы уважаемы многими цитокинами

SH2 и PTB связывают участки с фосфотирозином
SH3 и WW связывают участки богатые пролином
PDZ домен связывается с гидрофобными аминокислотами C-концов
PH связывается с разными фосфатидилинозитолами
FYVE домены связывают фосфатидилинозитол 3-фосфат)
Специальные домены –инструмент связи между молекулами

Сигнальный путь с участием цитокина
JAK: Янус киназа
STAT: Signal transducer and
activator of transcription

3. Рецепторы, обладающие каталитической активностью
Тирозинкиназы: рецепторы, фосфорилирующие тирозины молекул переноса сигнала.
Тирозинфосфатазы: рецепторы, удаляющие фосфатные группы, связанные с тирозином. Лиганд их неизвестен.
Серин/треонин киназы: рецепторы, фосфорилирующие Сер или Тре молекул переноса сигнала.
4. Гуанилатциклазы : рецепторы, катализирующие образование цГМФ
5. Рецепторы, асоциированные с гистидинкиназой: фофорилируют свой гистидин и затем быстро переносят фосфат на другие молекулы

Рецепторные тирозинкиназы (РТК)
Подобно предыдущему классу эти рецепторы димеризуются (исключение составляют рецепторы инсулина и инсулиноподобных факторов роста (ИФР)

Соединение с лигандом
Фосфорилирование СИР
Присоединение ФИ-3К
Образование ФИФ3
Присоединение PDK
PDK фосфорилирует ПкВ и ПкСζ
ПкВ фосфорилирует и ингибирует К3-ГС, при этом Гликогенсинтаза становится активной
ПкСζ и ПкВ фосфорилируют “неведомые” белки, участвующие в перемещении ГЛЮТ4 к мембране

1.Связывание лиганда ? активирование тирозинкиназного домена рецептора
2. Фосфорилирование СИР
3. Присоединение белков, содержащих SH2 и SH3 домены ( Grb2 (Growth factor receptor binding protein ).
4. Связывание белков GEF(guanine exchange factor) на рис это белок SOS
5. Замена ГДФ на ГТФ
6,7,8- каскад протеинкиназных реакций
Raf - это ККМАПК
MEK – это КМАПК
ERK – это МАПК ( митогенами активируемая протеинкиназа)
Этот фермент катализирует фосфорилирование факторов транскрипции, участвующих в механизмах синтеза факторов, регулирующих рост и
дифференцировку клеток.
2
1
3
5
4
6
7
8

Гуанилатциклазы-
бывают мембраносвязанными и растворимыми (цитоплазматическими)
НФП-натрий уретический фактор предсердий

Цитоплазматическая гуанилататциклаза:
Активируется NO
Катализирует образование цГМФ
(кишечник, гладкие мышцы сосудов)
цГМФ стимулирует цГМФ-зависимые протеинкиназы (ПкG)
Активность останавливается гидролизом цГМФ и дефосфорилированием субстратов ПкG

4.Ядерные и цитозольные рецепторы
Ядерные рецепторы – факторы транскрипции (TF)
опосредуют изменение транскрипции в ответ на многие внеклеточные сигналы
формируют короткий сигнальный путь
липофильная сигнальная молекула→ TF→ ответ (изменение транскрипции)
для классических стероидных гормонов:
секреция железой → транспорт по крови→ клетка-мишень → диффузия в клетку → связывание с рецептором → активирование → ответ
Классифицируются по типу лиганда и сродству к нему

5 . Рецепторы – лигандзависимые ионные каналы

Обеспечивают прямое взаимодействие между клетками
I. Замыкающие (плотные) контакты
II. Прикрепительные соединения
1. c актиновыми филаментами (адгезионные контакты)
а) между клетками (например, адгезионные пояса)
б) между клетками и матриксом (например, фокальные контакты)
2. С промежуточными филаментами
а) между клетками (десмосомы)
б) между клетками и матриксом (полудесмосомы)
III. Коммуникационные соединения
1. Щелевые контакты
2. Химические синапсы
7. Рецепторы – молекулы клеточной адгезии

Различают
Ca2+ - зависимые CAM: кадгерины, селектины, интегрины
2)Ca2+ - независимые CAM
Клетки связываются и общаются при помощи CAM(cell adhesion molecules) молекулы межклеточной адгезии
Кадгерин
Са независимые САМ
Интегрин

Интегрины обеспечиают
СИГНАЛИЗАЦИЮ ИЗ ВНЕКЛЕТОЧНОЙ СРЕДЫ:
Внеклеточныый домен связывается с лигандом
(ММ или CAM)
?
Конформационные изменения цитозольного домена (хвост)
?
Взаимодействие цитоскелета и сигнальных молекул.
фосфорилирование,экспрессия генов
и
СИГНАЛИЗАЦИЮ ИЗ КЛЕТКИ:
Молекулярный сигнал
?
Конформационные изменения цитозольного домена
?
Конформационные изменения внеклеточного лигандсвязывающего участка
?
Изменение сродства к лиганду

Секвестрация рецепторов
Модификация рецепторов (фосфорилирование)
Инактивация белков участвующих в переносе (фосфатазы)
Белки- «реле»
Изменение концентрации вторичных посредников
Образование белков ингибиторов
Взаимодействие между различными сигнальными путями
Большая часть участников регулируются по принципу обратной
связи
Механизмы выключения переноса сигналов