Внутри и межклеточная сигнализация

• 1 слайд

  Внутри- и межклеточная сигнализация
  

• 2 слайд

  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
  

• 3 слайд

  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
  

• 4 слайд

  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
  
  

• 5 слайд

  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
  

• 6 слайд

  Что мы уже знаем о сигналах?
  

• 7 слайд

  Что предстоит узнать
  

• 8 слайд

  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)
  

• 9 слайд

• 10 слайд

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

• 11 слайд

  Некоторые пути обмена сигналами
  

• 12 слайд

• 13 слайд

  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
  
  

• 14 слайд

  Сигналы, построенные из аминокислот
  

• 15 слайд

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

• 16 слайд

  Стероиды (производные холестерола и других полиизопренов)
  

• 17 слайд

  Производные С20 ненасыщенных жирных кислот (эйкозаноиды)
  

• 18 слайд

  Механизмы синтеза сигнальных молекул определяются их химической структурой
  

• 19 слайд

  Синтез производных холестерола
  Ацетил-КоА
  

• 20 слайд

  Синтез производных арахидоновой кислоты см. лекции по обмену липидов.
  

• 21 слайд

  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
  
  

• 22 слайд

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

• 23 слайд

  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.
  

• 24 слайд

  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
  

• 25 слайд

  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.
  

• 26 слайд

  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
  

• 27 слайд

  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)
  

• 28 слайд

• 29 слайд

• 30 слайд

• 31 слайд

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

• 32 слайд

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

• 33 слайд

  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.
  
  
  

• 34 слайд

  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
  

• 35 слайд

  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
  

• 36 слайд

• 37 слайд

  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 Сb (Gs)
  цГМФ-фосфодиэстераза (Gs)
  
  (Gs) – белок G активирует фермент или канал
  (Gi) - белок G ингибирует фермент или канал
  
  
  

• 38 слайд

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

• 39 слайд

• 40 слайд

  Сигналы, которые активируют образование цАМФ:
  АКТГ, АДГ, кальцитонин, кортиколиберин, ФСГ, ЛГ, глюкагон, ТСГ, паратирин, адреналин (b-адренэрг. рецепторы) Эти сигналы работают с G(s) белками
  
  Сигналы, которые тормозят образование цАМФ:
  ацетилхолин, адреналин (a2 адренэрг. рецепторы), ангиотензин II, соматостатин. Эти сигналы работают с G(i) белками
  

• 41 слайд

  Механизм действия вторичных посредников и еще раз к роли протеинкиназ
  

• 42 слайд

• 43 слайд

• 44 слайд

  Еще один вариант работы 7 ТМС рецептора
  Вариант II Е – это фосфолипаза Сb
  ФлСb
  

• 45 слайд

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

• 46 слайд

• 47 слайд

  CaBPs- белки, связывающие кальций
  

• 48 слайд

  EF-hand - белки:
  Названы по форме, образуемой E и F -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)
  

• 49 слайд

• 50 слайд

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

• 51 слайд

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

• 52 слайд

  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
  

• 53 слайд

  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
  

• 54 слайд

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

• 55 слайд

  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
  

• 56 слайд

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

• 57 слайд

  Соединение с лигандом
  Фосфорилирование СИР
  Присоединение ФИ-3К
  Образование ФИФ3
  Присоединение PDK
  PDK фосфорилирует ПкВ и ПкСz
  ПкВ фосфорилирует и ингибирует К3-ГС, при этом Гликогенсинтаза становится активной
  ПкСz и ПкВ фосфорилируют “неведомые” белки, участвующие в перемещении ГЛЮТ4 к мембране
  
  
  1
  2
  3
  4
  5
  6
  8
  7
  

• 58 слайд

  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
  

• 59 слайд

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

• 60 слайд

  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
  

• 61 слайд

  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
  

• 62 слайд

• 63 слайд

  5 . Рецепторы – лигандзависимые ионные каналы
  

• 64 слайд

  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
  

• 65 слайд

  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
  

• 66 слайд

  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
  

• 67 слайд

  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
  

• 68 слайд