Механизм передачи клеточного сигнала
Клеточная поверхность, называемая гликокаликсом, выступает своеобразной сенсорной панелью. В ней содержится специфический набор рецепторов, отвечающих за реакции с различными агентами, которые не способны самостоятельно растворяться в липидах и проникать через мембрану.
Процесс передачи сигнала можно разделить на три последовательных этапа:
- Взаимодействие мембранного рецептора с молекулой-лигандом на наружной поверхности клетки.
- Передача полученного сигнала сквозь толщу плазматической мембраны.
- Активация вторичных сигнальных молекул внутри клетки.
В качестве лигандов, связывающихся с рецепторами, выступают многочисленные биологически активные вещества. К ним относятся: эстроген, гормон роста, инсулин, инсулиноподобный фактор роста (IGF), а также фолликулостимулирующий (ФСГ), лютеинизирующий, адренокортикотропный (АКТГ) и тиреотропный (ТТГ) гормоны.
Результатом такой активации становится инициация вторичной передачи. Это приводит к включению специфических ферментов, активации ДНК-связывающих белков и возможному перемещению субстрата непосредственно в клеточное ядро. Конечным итогом часто является инициация транскрипции строго специфического набора генов.
Аденилатциклазная система (на примере инсулина)
Классическим примером реализации рецепторной функции является работа аденилатциклазной системы. Рассмотрим ее на примере инсулинового рецептора. По своему строению это крупный гликопротеид, который насквозь пронизывает плазмалемму (является трансмембранным). Он состоит из внешней рецепторной части и внутреннего каталитического домена.
Механизм действия:
- Гормон специфически связывается с внешней рецепторной частью.
- Это взаимодействие мгновенно активирует внутриклеточную каталитическую часть — фермент аденилатциклазу.
- Аденилатциклаза начинает активно катализировать синтез циклической аденозинмонофосфорной кислоты (цАМФ) из молекул АТФ.
Образовавшийся цАМФ играет важнейшую роль вторичного посредника. Он регулирует скорость протекания внутриклеточных процессов, вызывает подавление или активацию ферментов обмена веществ и многократно усиливает первичную ответную реакцию клетки на гормональный сигнал.
В случае с инсулином каскад этих реакций приводит к увеличению проницаемости клеточной плазмалеммы для глюкозы, ускорению процессов превращения глюкозы в резервный гликоген, а также к значительному усилению синтеза липидов.
Патологии рецепторного аппарата
Нарушение нормального строения или функции рецепторов неизбежно ведет к развитию тяжелых заболеваний, так как клетки теряют способность адекватно реагировать на управляющие сигналы организма.
- Сахарный диабет 2-го типа. Развивается по причине выраженного нарушения работы рецепторов к инсулину, расположенных в мышечных и жировых клетках. Ткани перестают усваивать глюкозу.
- Синдром Морриса (тестикулярная феминизация). Причиной данного заболевания выступают генетические мутации в генах, кодирующих рецепторы к половым гормонам. Следствием такой нечувствительности является глубокое изменение дифференцировки пола у развивающегося организма.
- Отравление ядом кураре. Попадание токсина вызывает жесткую блокировку рецепторов, предназначенных для связывания медиатора ацетилхолина. Прямым следствием этого становится полное нарушение проведения нервного импульса, что приводит к остановке дыхания и смерти.
Коротко: ответы на вопросы по теме
Какие существуют типы мембранных рецепторов по механизму передачи сигнала?
Мембранные рецепторы делятся на три основные группы в зависимости от того, как сигнал передается внутриклеточным эффекторам. К ним относятся:
- Ионотропные рецепторы — содержат субъединицу, связывающую сигнальную молекулу и формирующую ионный канал.
- Каталитические рецепторы — непосредственно сопряжены с ферментами и проявляют собственную ферментативную активность после присоединения лиганда.
- Метаботропные рецепторы — передают сигнал на внутриклеточные ферменты с помощью мембранных G-белков, которые активируют образование вторичных мессенджеров.
Какие вторичные посредники (мессенджеры) помимо цАМФ функционируют в клетке?
Внутри клетки функцию вторичных мессенджеров, помимо цАМФ, выполняют несколько других молекул, участвующих в передаче сигнала. К ним относятся:
- цГМФ — циклический гуанозин-3',5'-монофосфат;
- ИФ₃ — инозитол-1,4,5-трифосфат;
- ДАГ — диацилглицерол;
- Ca²⁺ — ионы кальция.
Какова роль G-белков в функционировании аденилатциклазной системы?
G-белки выполняют функцию связующего звена между мембранным рецептором и ферментом аденилатциклазой. После связывания гормона с рецептором происходит активация G-белка. Активированный G-белок в свою очередь активирует фермент аденилатциклазу. Это приводит к катализу образования циклического АМФ (цАМФ) из АТФ, который выступает вторичным посредником, передающим сигнал белкам и ферментам цитозоля для изменения их функциональной активности.
За счет каких химических структур и молекул формируется гликокаликс клеточной мембраны?
Гликокаликс — это надмембранный комплекс на наружной поверхности мембраны, образованный углеводными компонентами.
В источниках он описан как длинные ветвящиеся цепочки углеводов, а также как олигосахариды, связанные с белками или липидами.
В его формировании участвуют:
- Гликопротеины — углеводные цепи, связанные с мембранными белками.
- Гликолипиды — углеводные цепи, связанные с липидами мембраны.
Для углеводов мембраны указано, что гликопротеиды и гликолипиды составляют до 10% состава мембраны. В одном из источников состав надмембранного слоя также описан как гликопротеины мембраны и различные ферменты.
Какой истинный механизм действия рецептора к инсулину (с участием тирозинкиназы), в отличие от упрощенной схемы с аденилатциклазой?
Механизм действия инсулинового рецептора основан на его собственной тирозинкиназной активности.
Рецептор имеет две внеклеточные α-субъединицы, связывающие инсулин, и две трансмембранные β-субъединицы, обладающие тирозинкиназной активностью.
Последовательность активации:
- Инсулин связывается с α-субъединицами рецептора.
- Изменяется конформация соседних β-субъединиц, они сближаются.
- Происходит трансфосфорилирование, или аутофосфорилирование: одна β-субъединица фосфорилирует другую по остаткам тирозина.
- Фосфорилированные остатки тирозина становятся «посадочными площадками» для белков инсулинового рецептора.
- Фосфорилируется субстрат инсулинового рецептора IRS-1.
- IRS-1 связывается с PI3-киназой.
- Образуется PIP₃, что приводит к активации протеинкиназы B (Akt/PKB).
К последствиям этого каскада относятся транслокация ГЛЮТ-4 из цитоплазмы в плазматическую мембрану, активация гликогенсинтазы, гидролиз цАМФ фосфодиэстеразой и дефосфорилирование ключевых ферментов метаболизма протеинфосфатазами.
Запомнить этапы передачи сигнала поможет правило трех «П»: Поверхность (связывание лиганда) → Прохождение (передача через мембрану) → Посредник (активация вторичных молекул).
Вопросы с занятий и экзамена
Что такое вторичный посредник?
Вторичный посредник (например, цАМФ) синтезируется внутри клетки в ответ на внешний сигнал. Он регулирует скорость внутренних процессов, управляет активностью ферментов обмена веществ и значительно усиливает ответную реакцию клетки.
Как устроен рецептор к инсулину?
Это трансмембранный гликопротеид. Он состоит из наружной рецепторной части, которая непосредственно связывает гормон, и внутриклеточной каталитической части, активирующей фермент аденилатциклазу.
Почему отравление кураре смертельно?
Яд кураре специфически блокирует мембранные рецепторы для ацетилхолина. Это прерывает проведение нервных импульсов к мускулатуре, что вызывает остановку дыхания из-за паралича мышц.
Что ещё разобрать по теме
- Классификация рецепторов по механизмам активации
- Особенности передачи сигнала пептидными гормонами
- Процесс перемещения субстрата в ядро и инициация транскрипции
- Генетика мутаций рецепторов при синдроме Морриса
Разберите тему целиком в курсе «Биология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Рецепторная функция клеточной мембраны» и ещё 3 793 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 124 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Клетка — элементарная единица живого»
Бесплатные видеоуроки: биологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.