Сенсорные механизмы эукариот

Гормоны (первичные посредники), связываясь с рецепторами на поверхности клеточной мембраны, образуют комплекс гормон-рецептор, который трансформирует сигнал первичного посредника в изменение концентрации особых молекул внутри клетки - вторичных посредников. Вторичными посредниками могут быть следующие молекулы: цАМФ, цГМФ, ИФ₃, ДАГ, Ca²⁺, NO.

Гормоны, взаимодействие которых с рецептором клетки-мишени приводит к образованию цАМФ, действуют через трёхкомпонентную систему, которая включает белок-рецептор, G-белок и фермент аденилатциклазу. Образующийся под действием аденилатциклазы цАМФ активирует протеинкиназу А, фосфорилиру-ющую ферменты и другие белки (см. раздел 5). Известно более 200 различных G-белков, в структуре которых обнаружены 3 субъединицы α, β и γ. В отсутствие гормона α-субъединица G-белка связана с ГДФ. Образование комплекса гормон-рецептора приводит к конформационным изменениям α-субъединицы, замене ГДФ на ГТФ и отщеплению димера βγ от α-ГТФ. В случае рецепторов, сопряжённых с G_s-белком, субъединица α_s-ГТФ активирует аденилатциклазу.

Вслучае рецепторов, сопряжённых с G_i белком, субъединица α_i-ГТФ ингибирует аденилатциклазу.

Другая система, генерирующая цГМФ как вторичный посредник, сопряжена с гуанилатциклазой. Цитоплазматический домен такого типа рецепторов обладает активностью гуанилатциклазы, которая катализирует реакцию образования цГМФ из ГТФ (подобно аденилатциклазе). Молекулы цГМФ могут активировать ионные каналы либо активировать цГМФ-зависимую протеинкиназу G, участвующую в фосфорилировании других белков в клетке. Например, фосфодиэстераза, которая гидролизует цАМФ до АМФ, активируется в результате фосфорилирования цГМФ-зависимой протеинкиназой.

Некоторые гормоны (например, вазопрессин или адреналин), образуя комплекс с соответствующими рецепторами (рецептор V₁ для вазопрессина и α₁-рецептор для адреналина), через активацию соответствующих G-белков активируют фосфолипазу С, в результате чего в клетке появляются вторичные посредники ИФ₃, ДАГ. Молекула ИФ₃ стимулирует высвобождение Ca²⁺ из ЭР. Кальций связывается с белком кальмодулином. Этот комплекс активирует Са²⁺-кальмодулинзависимую протеинкиназу. Ионы кальция и ДАГ участвуют в активации протеинкиназы С.

Многие гормоны передают сигнал в клетку через рецепторы, которые либо обладают тирозинкиназной активностью, либо связываются с цитоплазматическими белками, проявляющими активность тирозинкиназы. Связывание инсулина с мембранным рецептором, который является тирозинкиназой и имеет центр фосфорилиро-вания, инициирует аутофосфорилирование и последующее фосфорилирование субстратов рецептора инсулина и других белков.

Некоторые гормоны (например, гормон роста, пролактин, интерферон, цитокины) взаимодействуют с мембранными рецепторами, ассоциированными с цитоплазматическими протеинкиназами (так называемыми «Янускиназами», или киназами семейства JAK). Присоединение гормона вызывает димеризацию рецептора, присоединение Янускиназ, их аутофосфорилирование и активацию. Янускиназы, в свою очередь, фосфорилируют рецептор по остаткам тирозина, в результате чего рецептор связывается с другими белками, например, особыми белками - переносчиками сигнала и активаторами транскрипции (ПСАТ, или STAT - от англ. signal transducer and activator of transcription - переносчик сигнала и активатор транскрипции). Далее следует инициируемый тирозинкиназой каскад реакций фосфорилирования. Белки STAT фосфорилируются, образуют димеры, транспортируются в ядро, где, связываясь со специфическими участками ДНК, участвуют в регуляции транскрипции.

Сигнальной молекулой в клетке может служить также оксид азота NO, образующийся в организме из аргинина при участии фермента

NO-синтазы, присутствующего в нервной ткани, эндотелии сосудов, тромбоцитах и других тканях. Молекула NO может быстро диффундировать через мембрану эндотелиальных клеток, где она синтезируется, в соседние клетки. Действие оксида азота кратковременно, так как T_1/2 NO колеблется в пределах 5-10 с. В крови молекула существует примерно 100 мс, поскольку быстро взаимодействует с молекулярным кислородом, образуя нитрит, который далее превращается в нитрат и экскрети-руется с мочой. В клетках-мишенях, например, эндотелиальных клетках NO взаимодействует с входящим в активный центр гуанилатциклазы ионом железа, способствуя тем самым быстрому образованию цГМФ. Увеличение концентрации цГМФ в клетках гладких мышц вызывает активацию киназ, что в конечном итоге приводит к расслаблению ГМК сосудов и последующему их расширению. Механизм действия оксида азота объясняет использование нитроглицерина в качестве лекарственного препарата для снятия острых болей в сердце, поскольку нитроглицерин - источник образующихся молекул NO, которые и вызывают расслабление кровеносных сосудов и увеличение притока крови в миокард.

Передача сигналов через внутриклеточные рецепторы

Стероидные и тиреоидные гормоны связываются с рецепторами внутри клетки и регулируют скорость транскрипции специфических генов.

В отсутствие гормона внутриклеточные рецепторы связаны обычно с другими белками в цитозоле или ядре. Например, рецепторы глюко-кортикоидов образуют в цитозоле комплекс с шапероном, что препятствует связыванию рецептора с молекулой ДНК.

Взаимодействие гормона с центром связывания на С-концевом участке полипептидной цепи рецептора вызывает конформационные изменения и освобождение рецептора от шаперона. Происходит объединение 2 молекул рецептора с образованием гомодимера. Димер рецептора узнаёт специфическую последовательность нуклеотидов, которая расположена в промоторной области гена. Взаимодействие со специфическим участком ДНК НРЕ обеспечивает центральный домен рецептора. Этот домен содержит аминокислотную последовательность, образующую 2 «цинковых пальца». В каждом «цинковом пальце» атом цинка связан с 4 остатками цистеина.

Передача сигналов через рецепторы, сопряжённые с ионными каналами

Рецепторы, сопряжённые с ионными каналами, являются интегральными мембранными белками, состоящими из нескольких субъединиц. Они действуют одновременно как ионные каналы и как рецепторы, которые способны специфически связывать с внешней стороны эффектор, изменяющий их ионную проводимость. Эффекторами такого типа могут быть гормоны и нейромедиаторы.

Известны рецепторы для ряда гормонов, ассоциированных с ионными каналами, и большинства медиаторов, среди которых наиболее изучен рецептор ацетилхолина. Рецептор ацетилхолина состоит из пяти цилиндрообразных субъединиц, расположенных в мембране параллельно друг другу: α₂, β, γ, δ. Между ними вдоль оси цилиндров находится заполненный молекулами воды канал. Каждая субъединица рецептора состоит из большого количества гидрофобных аминокислотных остатков. Кроме этого, все субъединицы содержат один спирализованный трансмембранный фрагмент, аминокислотные радикалы которого (полярные незаряженные аминокислотные остатки, в основном серин и треонин) выстилают центральный канал рецептора изнутри. В средней части субъединиц, обращённой к каналу, локализованы остатки лейцина. В присутствии ацетилхолина боковые взаимодействия между субъединицами поддерживают канал в открытом состоянии и создают возможность для транспорта ионов. В отсутствие ацетилхолина в результате изменения ориентации субъединиц относительно друг друга канал закрывается, так как выступающие внутрь канала остатки лейцина образуют плотное гидрофобное кольцо, блокируя движение гидра-тированных ионов в этой области.

52. Проект «Геном человека» его этапы и значение

Геном человека диплоиден и представлен 23 парами хромосом, 22 из которых аутосомные хромосомы, а одна пара – половые (X- и Y-хромосомы). Соответственно, он состоит из 23 пар молекул ДНК, длина которых колеблется от 60 до 250 миллионов п. н. Первичная структура генома человека расшифрована в 2001 г. Общий размер гаплоидного генома человека составляет около 3,3 • 109 п.н., а суммарная длина ДНК (гаплоидный геном) – около 1,8 м. Доля нуклеотидных последовательностей кодирующих поли-пептиды, приблизительно равна 1,5 %. Всего в геноме содержится ориентировочно 20 000 – 26 000 генов, кодирующих белки. Несмотря на это в результате экспрессии генов синтезируется значительно большее число белков. Это связано с тем что, у человека широко распространен альтернативный сплайсинг, который позволяет в процессе экспрессии одного гена получить несколько различных иРНК. В результате в клетках человека число образующихся полипептидов превышает число генов. В геноме человека также обнаружено боль-шое число псевдогенов. Их роль еще предстоит выяснить. Кроме генов, кодирующих полипептиды, геном человека содер-житгены тРНК, рРНК, мяРНК. Так на гаплоидный геном приходится около 1300 генов тРНК и около 200 генов рРНК. В геноме человека обнаружено множество регуляторных последовательностей, отвечающих за экспрессию генов. Обычно они имеют небольшие размеры, и находятся либо рядом с геном, либо внутри него. Иногда они могут располагаться на значительном расстоянии от гена. Гены в геноме человека по хромосомам распределены неравно-мерно. В каждой хромосоме имеются богатые и бедные генами уча-стки. В таблице 11.5 представлены средние значения характеристик различных элементов генов. Однако реальные гены человека могут значительно отличаться от средних характеристик гена. Наиболее часто в геноме человека встречаются гены с двумя экзонами. Но последних может быть значительно больше,например, в гене мышечного белка титина обнаружено 234 экзонов. Размеры реальных генов могут также многократно отличаться от размеров «среднего» гена. Например, длина гена миодистрофина составляет 2,4•106 п.н. У него на долю экзонов приходится 0,6 % длины гена, а на долю некоди-рующих последовательностей – 99,6 %. Белки, кодируемые генами человека, наиболее сходны с белками, кодируемыми генами животных. Около 32 % генов человека относятся к группе генов, общих для эукариот, около 21 % – к общим для эукари-от и прокариот. Интересно, что экзоны генов человека несколько короче таковых других организмов, а интроны наоборот – длиннее. Как указывалось выше, на долю экзонов в геноме человека при-ходится около 1,5 %, в то время как доля интронов составляет около 25 % генома. Оставшаяся часть, а это приблизительно 2/3 генома, приходится на межгенные последовательности ДНК, которые пред-ставлены в основном повторяющимися последовательностями. К таким последовательностям относятся МГЭ, сателитная ДНК и др. В настоящее время расшифрован геном неандертальца. Оказалось, что его ДНК совпадает с ДНК современного человека более чем на 99 %. Установлено, что различия в аминокислотных последовательностях белков незначительны, примерно одна аминокислотная замена приходится примерно на 10 – 20 белков. Ген FOXP2, связанный с речью, у современного человека и неандертальца идентичен. Это свидетельствует о том, что неандертальцы, возможно, умели говорить. В 2005 г расшифрован геном шимпанзе. Он состоит из 2,8 миллиардов п.н. и отличается от генома человека всего на 4 %, а гены белков – на 1,2 %. Около 29 % генов у человека и шимпанзе идентичны. Удивительно, что столь незначительные отличия в организации геномов приводят к столь существенным отличиям этих видов.