Сигнальные молекулы, их классификация. Виды регуляторных эффектов сигнальных молекул. Понятие о клетке мишени.

Биологическое действие гормонов проявляется через их взаимодействие с рецепторами клеток-мишеней. Для проявления биологической активности связывание гормона с рецептором должно приводить к образованию химического сигнала внутри клетки, который вызывает специфический биологический ответ, например изменение скорости синтеза ферментов и других белков или изменение их активности. Мишенью для гормона могут служить клетки одной или нескольких тканей. Воздействуя на клетку-мишень, гормон вызывает специфическую ответную реакцию. Например, щитовидная железа - специфическая мишень для тиреотропина, под действием которого увеличивается количество ацинарных клеток щитовидной железы, повышается скорость биосинтеза тиреоидных гормонов. Характерный признак клетки-мишени - способность воспринимать информацию, закодированную в химической структуре гормона.

Начальный этап в действии гормона на клетку-мишень - взаимодействие гормона с рецептором клетки. Концентрация гормонов во внеклеточной жидкости очень низка и обычно колеблется в пределах 10-6-10-11 ммоль/л. Клетки-мишени отличают соответствующий гормон от множества других молекул и гормонов благодаря наличию на клетке-мишени соответствующего рецептора со специфическим центром связывания с гормоном.

Рецепторы по своей химической природе являются белками и, как правило, состоят из нескольких доменов.

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 событий в самой мембране и внутри клетки. К полярным сигнальным молекулам относят белковые гормоны (например, глюкагон, инсулин, паратгормон), нейромедиаторы (например, ацетилхолин, глицин, γ-аминомасляная кислота), факторы роста, цитокины, эйкозаноиды.

Внутренние - сигналы образуются и действуют в одной и той же клетке, часто сигналами выступают метаболиты. Они выполняются роль аллостерических активаторов/ ингибиторов ферментов.

Внешние – управляющие сигналы поступают в клетку из внешней среды.

Задачи:

Ø Внутреннее и межклеточное согласование метаболических процессов;

Ø Исключение холостых циклов метаболизма;

Ø Регуляция процессов образования и использования энергии;

Ø Поддержание гомеостаза;

Ø Приспособление организма к изменениям окружающей среды;

Сигнальные молекулы – эндогенные химические соединения, которые в результате взаимодействия с рецепторами обеспечивают внешнее управление биохимическими реакциями в клетках-мишенях.

Клетка-мишень - это клетка, имеющая специализированные воспринимающие рецепторы для данного вида сигнальных молекул.

Особенности сигнальных молекул:

ü Малый период жизни;

ü Высокая биологическая активность;

ü Уникальность действия;

ü Эффект усиления;

ü Один вид сигнальной молекулы может иметь несколько клеток-мишеней;

ü Реакция разных клеток-мишеней на одну сигнальную молекулу может отличаться;

Химические соединения, которые взаимодействуют с определенным рецептором, называют Лигандами.

Виды регуляторных эффектов:

1. Эндокринный – сигнальная молекула поступает с током крови к клетке-мишени из желез внутренней секреции (дистантное действие).

2. Паракринный - сигнальная молекула вырабатывается и действует на клетки в пределах одного органа или ткани.

3. Аутокринный - сигнальная молекула действует на клетку её образовавшую.

Классификация сигнальных молекул:

По химической природе:

o Органические – белковые соединения, стероиды и т.д

o Неорганические – оксид азота и т.д.

По физическим свойствам:

o Липофобные - не могут проникать через мембрану клетки. Они растворимы в воде.

o Липофильные - растворяются в жирах. Свободно проникают через ЦПМ и действуют на рецепторы внутри клетки.

По биологической природе:

o Гормоны (по месту образования) сигнальные молекулы с выраженным эндокринным эффектом.

o Факторы роста и цитокины – факторы роста. Это сигнальные молекулы белковой природы, которые выделяются неспециализированными клетками организма. Они регулируют рост, дифференцировку, пролиферацию соседних клеток. Действие пара- и аутокринно.

o Нейромедиаторы – выделяются нервными клетками и вызывают деполяризацию мембран. сигнальные молекулы, вырабатывающиеся нервными клетками, координирующие работу нейронов и управление периферическими тканями. Их действие связано с влиянием на ионные каналы. Они изменяют их проницаемость и вызывают деполяризацию мембраны. гипоталамус является компонентом и своеобразным «выходным каналом» лимбической системы. Это отдел промежуточного мозга, контролирующий различные параметры гомеостаза. С одной стороны он связан с ЦНС (центры ВНС), с другой - с гипофизом через нервные проводники и особую портальную систему.

Гипоталамус участвует во многих функциях нервной регуляции,а также регулирует эндокринную систему.

Регуляция метаболизма: внутренняя и внешняя. Внутренняя регуляция - управляющие сигналы образуются и действуют внутри одной и той же клетки (само-регуляция). Внешняя регуляция - управляющие сигналы поступают к клетке из внешней среды. Внутренняя регуляция осуществляется путём изменения активности ферментов активаторами или ингибиторами. Внешняя регуляция обеспечивается специализированными сигнальными молекулами, которые в результате взаимодействия с ферментами обеспечивают внешнее управление биохимическими процессами в клетках-мишенях.

Общие этапы действия сигнальных молекул:

1. Распознавание сигналов рецепторами клетки-мишени

2. Передача сигнала и его усиление

3. Изменение биохимических процессов в клетке

4. Элиминация сигнала

Вторые посредники в действии липофобных сигнальных молекул, цАМФ и цГМФ -зависимые механизмы действия. Аденилатциклаза, протеинкиназа. Продемонстрировать эффекты гормонов, осуществляющие регуляторное действие при участии цАМФ.

Особенности механизма липофобных сигнальных молекул:

ü Взаимодействие с поверхностным клеточным рецептором

ü Сигнал передается с рецептора внутрь клетки и усиливается там с помощью внутриклеточных регуляторов. Высокомолекулярные вторичные посредники – Мессенжеры, Низкомолекулярные – цАМФ, цГМФ, диацилглицерол, Са.

ü Биологическое действие обусловлено сочетанием регуляции активности ранее синтезированных ферментов.

Аденилатциклазный МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ, ЗАВИСИМЫЙ ОТ ЦАМФ.

Факторы, необходимые для этого:

• нерастворимая в воде сигнальная молекула;
• поверхностные рецепторы клетки-мишени;
• внутриклеточный трансдуктор G-белок. Состоит из 3 единиц: альфа, бета, гамма.
• G-белок может быть ингибирующий и активирующий. G-белок способен присоединять ГДФ или ГТФ.
• Аденилатциклаза (АЦ) (превращает АТФ в ЦАМФ);
• Протеинкиназа ЦАМФ-зависимая. Она катализирует реакцию фосфорилирования белков;
• Регуляторные элементы ДНК (ЭЕХАНСЕР и САЙЛЕНСЕР);
• ФОСФОДИЭСТЕРАЗА - разрушает ЦАМФ;
• ФОСФАТАЗА - дефосфорилируют белки;
• Белок-синтетический аппарат клетки.

Этапы, стимулирующие ЦАМФ -зависимый механизм:

1. взаимодействие сигнальной молекулы с рецептором;

2. изменение конформации G-белка;

3. замена ГДФ на ГТФ в альфа-S единице G-белка;α-субединица отделяется и добавляется к АЦ.

4. альфа-S ГТФ активирует АЦ;

5. АЦ синтезирует ЦАМФ;

6. ЦАМФ активирует ПРОТЕИНКИНАЗУ-А (ПКА);

7. ПКА фосфорилирует белки и белковые факторы транскрипции, изменяющие активность и количество ферментов;

8. Прекращение действия.

- отделение α-субединицы от АЦ

- ФОСФОДИЭСТЕРАЗА - разрушает ЦАМФ.

- ФОСФАТАЗА - ДЕФОСФОРИЛИРУЕТ белки.

Этапы, ингибирующие ЦАМФ -зависимый механизм:

С первого по третий те же самые этапы, отличие в G-белке (альфа-I единица). Четвёртый этап - связывание ГТФ с альфа-I единицей будет ингибировать АЦ. Ингибируюший механизм противодействует и прекращает эффекты ЦАМФ в клетке. ЦГМФ -зависимый стимулирующий механизм действия.

цЦГМФ-зависимый механизм

Рецептор встроен в мембрану клетки и связан с ферментом ГУАНИЛАТЦИКЛАЗОЙ (ГЦ). При присоединении сигнальной молекулы ГЦ активируется и катализирует реакцию ГТФ * ЦГМФ. Последний активирует ПРОТЕИНКИНАЗУ-G (ПКО), а она запускает реакцию фосфорилирования белков (ферментов и факторов транскрипции).

Альдостерон - регуляция объема внутриклеточной жидкости, повышение реабсорбции воды и натрия. Тироксин – повышение основного обмена