Занятие 3: 1. Филогенез эукариотической клетки. 2. Обмен веществ, роль мембран

(ионные каналы).
3. Молекулярные рецепторы.
РАЗДЕЛ 1. КЛЕТКА КАК ЦЕЛОСТНАЯ, ДИНАМИЧЕСКАЯ

СИСТЕМА

многоклеточные
Царство растения
Царство грибы
Царство животные
Царство вирусов – возможно, это не живая

форма, но способ обмена генетической информацией при бесполом размножении

Vibrio

Spirochete

V. A. Kozlov, full Bilogical Science doctor, Ph.D. Medical Science, professor

результате симбиогенеза – слияния бактериальных клеток и митохондрий - у

животных и хлоропластов и митохондрий - у грибов и растений.
Возможно, что клеточное ядро образовалось из когда-то поглощенного такой симбиотической клеткой ДНК содержащего вируса.

reiche», K.С. Мережковский
Margulis, Lynn, 1970, Origin of Eukaryotic Cells, Yale University

Press, ISBN 0-300-01353-1

Внутриклеточный паразитизм
↓
Комменсализм
↓
Симбиоз
↓
Эукариотическая клетка

LECA – последний эукариотический общий предок

professor
Р. Гупта предположил, что эукариотическая клетка возникла в результате симбиоза

грамотрицательной бактерии, относящейся к протеобактериям, и археи. Этот симбиоз был создан в кислородной среде, богатой антибиотиками, секретируемые другими микроорганизмами. Партнеры, вступили в симбиоз, при условии, что:
археи – устойчивы к антибиотикам,
протеобактерии – толерантны к кислороду.
Внутриклеточный симбионт архея впоследствии был окружен клеточной мембраной бактерий, защищающей его от действия кислорода, что породило эндоплазматический ретикулум и ядерную мембрану (R.S. Gupta, 2005) . Gupta R.S. Molecular sequences and the early history of life // Microbial Phylogeny and Evolution / Ed. J. Sapp. Oxford Univ. Press, 2005. Р. 160–183.
Возможно, что основой клеточного ядра стал ДНК содержащий вирус, в который постепенно полностью мигрировали геномы протеобактерии и археи. На заключительном этапе в симбиоз вошли митохондрии и хлоропласты.

Radhey S. Gupta (Professor) Department of Biochemistry and Biomedical Sciences (HSC- 4H2) 1200 Main Street West, Hamilton, Ontario, Canada L8N 3Z5

у современных многоклеточных.
Многоклеточность осуществлялась через потерю ненужных участков генома.
В

процессе совмещения геномов произошло размыкание кольцевой ДНК с преобразованием ее в линейную, возможно это послужило причиной формирования так называемых интронных участков ДНК, которых практически нет у прокариот и которые на ранних этапах симбиогенеза были нужны для «подгонки» геномов разных организмов друг к другу.

контакты сцепляющего типа
а) десмосомы и адгезивные пояски
контакты запирающего

типа
а) плотное соединение
коммуникационные контакты
а) нексусы

КЛЕТОЧНЫЕ
КОНТАКТЫ

Клетка – Матрикс

полудесмосомы

фокальные контакты

интегрин

кератиновые филаменты

адгезивный
поясок

плотное соединение

средой
Для этого клетка создает
ионные каналы

всех ионных каналов имеют некоторые общие признаки строения и обычно представлены

большими трансмембранными белками с молекулярными
массами выше 250 кД.
Состоят из нескольких субъединиц.
Обычно важнейшие свойства каналов определяются их α-субъединицей.




Другие субъединицы, входящие в структуру ионных каналов, играют вспомогательную роль, модулирующую свойства каналов.

Она принимает участие в формировании ионоселективной норы, сенсорного механизма трансмембранной разности потенциалов (ворот канала) и имеет места связывания для экзогенных и эндогенных лигандов.

располагается
в цитоплазматической
мембране
устья канала, обращенные

к наружной и внутренней сторонам мембраны,

пору, заполненную водой

«ворота» канала


образуются участком пептидной цепи, который может легко изменять свою конформацию и определять открытое или закрытое состояние канала.

от ее размеров и заряда зависят
селективность и проницаемость ионного канала.
Проницаемость канала для данного иона определяется 1) размерами,
2) величиной заряда и
3) гидратной оболочкой.

формирует

различные подходы.
Один из них основан на учете различий в

строении каналов и в механизмах функционирования.
Ионные каналы можно разделить на несколько типов:
пассивные ионные каналы, или каналы покоя;
каналы щелевых контактов;
каналы, состояние которых


контролируется влиянием на их воротный механизм
механических факторов (механочувствительные каналы),
разности потенциалов на мембране (потенциалзависимые каналы)
или лигандов, связывающихся с каналообразующим белком на внешней, или внутренней стороне мембраны, или поре канала (лигандзависимые каналы).

1) закрытое
2) открытое
3) инактивированное

т.е. в отсутствие каких-либо воздействий
не являются строго селективными,
через них

мембрана клетки может «протекать» для нескольких ионов, например К+ и CI–; К+ и Na+; Ca2+.
Поэтому второе название этих каналов – каналы утечки.

каналы цитоплазматических мембран нервных волокон и их окончаний, клеток поперечно-полосатой, гладкой мускулатуры, миокарда и др. тканей

Формируют и поддерживают потенциал покоя цитоплазматической мембраны клетки

контакта двух соседних клеток, очень близко (3,5 нм) прилежащих друг

к другу.

В мембране каждой контактирующей клетки шесть субъединиц белков коннексинов формируют гексагональную структуру – коннексон, в центре которой образуется пора или ионный канал (следующий слайд).

В точке контакта в мембранах обеих клеток образуется зеркальная структура из двух коннексонов, и ионный канал между ними становится общим.

Через такие ионные каналы из клетки в клетку могут перемещаться
1) различные минеральные ионы, в том числе Са2+,
2) низкомолекулярные органические вещества.

Каналы щелевых контактов клеток обеспечивают передачу информации между клетками миокарда, гладких мышц, сетчатки глаза, нервной системы.

комплекс из коннексинов
Зеркальная структура из двух коннексонов

открываются и закрываются
бывают в ответ на

механозависимые

потенциалзависимые

лигандзависимые

взаимодействие низкомолекулярного медиатора с рецепторным участком канала

механическую деформацию

изменение потенциала покоя мембраны

разности потенциалов () на мембране.
Они могут находиться в неактивном

(закрытом), активном (открытом) и инактивированном состояниях, которые контролируются состоянием активационных и инактивационных ворот, зависящим от  на мембране.
В покоящейся клетке потенциал зависимый канал находится обычно в закрытом состоянии, из которого он может быть открыт или активирован.
Вероятность его самостоятельного открытия невысока, в состоянии покоя в мембране открыто небольшое количество этих каналов.
Деполяризация мембраны (уменьшение ) активирует канал, повышая вероятность его открытия. Для открытия канала необходимо достижение критического уровня деполяризации.
Функцию активационных ворот выполняет электрически заряженная аминокислота (лизин или аргинин, расположенные в каждой третьей позиции на данном участке молекулы), закрывающая вход в устье канала.
Лизин и аргинин, как полярные аминокислоты, являются сенсором  на мембране; при достижении критического уровня деполяризации мембраны заряженная часть молекулы сенсора смещается в сторону липидного микроокружения каналообразующей молекулы и ворота открывают вход в устье канала (см. следующий слайд) .

инактивированный
Состояние канала зависит
от величины потенциала мембраны
Переход 1-2-3 осуществляется скачком,

Переход 3-1 за «длительный» период времени

Потенциал-зависимый канал

очень высокой
и низкой.
По этому показателю потенциалзависимые ионные каналы делят на
быстрые (например, быстрые потенциалзависимые Na+ каналы) и медленные (например, медленные потенциалзависимые Ca2+ каналы).
Скорость срабатывания канала зависит от подвижности активационных ворот.
Быстрые каналы открываются мгновенно (мкс) и остаются открытыми в среднем в течение 1 мс. Их активация сопровождается быстрым лавинообразным возрастанием проницаемости канала для определенных ионов – пропускная способность открытого канала поразительна: ток ионов происходит со скоростью до 100 000 000 ионов/с.
Медленные каналы открываются вместе с быстрыми, но скорость движения активационных ворот в них значительно меньше, поэтому и движение ионов через них начинается позднее.

на нити, располагающегося у выхода устья канала. При изменении знака

заряда на мембране с (+) на (–) шарик закрывает выход из устья, канал становится непроницаемым (закрытым) для иона, но канал может быть активирован пороговым или большим стимулом.
Инактивационные ворота – также последовательность аминокислот. Инактивация сопровождается прекращением перемещения ионов через канал и может протекать так же быстро, как активация, или медленно — в течение секунд и даже минут. Все это время канал не может быть открыть ни при какой силе возбуждения, пока не перейдет закрытое состояние.

еще одно состояние ионного канала – блокированное. Такие вещества получили

название блокаторов ионных каналов.
Одним из первых блокаторов было описано вещество тетродотоксин (образуется в организме рыбы фугу), блокатор потенциалзависимых натриевых каналов. В эксперименте при его введении в организм животных отмечались потеря чувствительности, расслабление мышц, обездвиженность, остановка дыхания и смерть.
В клинике используют лидокаин, новокаин, прокаин — вещества, при введении которых в организм в небольших дозах развивается блокада потенциалзависимых натриевых каналов нервных волокон и блокируется передача в ЦНС сигналов от болевых рецепторов, это местные обезболивающие средства.

в просвете канала. Различия между блокаторами обусловлены их местом связывания

к молекулами канала.

Подобно пробке, тетродотоксин входит во внешний вестибюль натриевого канала. При этом каждая его активная группа взаимодействует со своим аминокислотным остатком 

Молекула батрахотоксина сидит в канале и не дает ему закрыться, пропуская ионы натрия. Стрелкой показан ток ионов

Батрахотоксин

в виде нескольких идентичных трансмембранных доменов,
2) нескольких белковых субъединиц,

которые могут быть как одинаковы (гомоолигомер), так и неодинаковы (гетероолигомер) по своей структуре.

Каждая порообразующая субъединица или домен образована несколькими трансмембранными α-спиральными сегментами с N- и С-терминальными доменами белка, направленными внутриклеточно или внеклеточно.

Один из трансмембранных сегментов субъединицы потенциал-активируемых каналов содержит уникальный набор положительных зарядов и функционирует как сенсор потенциала (Armstrong, Hille, 1998, Hille, 2001).

Практически все каналы в составе образующих пору канала субъединиц имеют регуляторные домены, связывающиеся с различными регуляторными молекулами.

Каналы обладают свойством селективно пропускать ионы, которое реализуется в самом узком месте канала – селективном фильтре.

ионного канала клеточной мембраны;
б – слева – натриевый канал,

состоящий из 4 α -субъединиц и двух -субъединиц (вид сбоку); справа – вид натриевого канала сверху.
Цифрами I. II. III. IV отмечены домены α -субъединицы

Потенциал зависимый канал

Основная причина таких нарушений — наследственные мутации, влияющие на структуру

канала.

Примеры каналопатий:
- муковисцидоз
- сердечные аритмии
- синдром Бругада (натриевый канал кардиомиоцитов)
синдром Тимоти (аномалии кальциевых каналов)
генерализованная эпилепсия

способность открытого канала поразительна:
ток ионов происходит со скоростью до

100 000 000 ионов/с

ионных каналов
и селективных рецепторов лигандов.

Поэтому за ними закрепились разные синонимические названия, например: синаптический рецептор, лигандзависимый канал.

В отличие от потенциалзависимых ионных каналов, открытие которых осуществляется в ответ на уменьшение , лигандзависимые ионные каналы открываются (активируются) при взаимодействии участка узнавания лиганда белка рецептора молекулы с лигандом — веществом, к которому рецепторный участок узнавания имеет высокое сродство.

субъединицы, образующие систему распознавания ионов
Гидрофобная поверхность
Гидрофильная полость

ионного канала
(разным цветом выделены разные белки, образующие домены)

и их отростков, а также мышечных волокон.

Типичными примерами лигандзависимых

ионных каналов являются каналы пре- и постсинаптических мембран, активируемые ацетилхолином, глутаматом, аспартатом, -аминомасляной кислотой, катехоламинами, глицином и др. синаптическими нейромедиаторами.

Обычно название канала (рецептора) отражает тип нейромедиатора, который в естественных условиях является его лигандом. Так, если это каналы нервно-мышечного синапса, в котором используется нейромедиатор ацетилхолин, то используется термин «ацетилхолиновый рецептор», если он является к тому же чувствительным к никотину, то его называют никотинчувствительным, или просто н-ацетилхолиновым, рецептором (н-холинорецептор, N-АЦХ).

или для К+ и анионов СI–. Такая избирательность связывания лиганда

и изменения ионной проницаемости генетически закреплена в пространственной структуре макромолекулы.

Если взаимодействие медиатора и рецепторной части макромолекулы, формирующей ионный канал, непосредственно изменяет проницаемость канала, то в течение нескольких миллисекунд это меняет проницаемости постсинаптической мембраны для минеральных ионов и величину постсинаптического потенциала, например, ацетилхолиновые и глутаматные каналы.
Такие каналы названы быстрыми и локализуются, например, в постсинаптической мембране аксо-дендритных возбуждающих синапсов и аксосоматических тормозных синапсов.

последовательных событий:
первичный медиатор (лиганд, нейромедиатор) активирует G-белок → он

взаимодействует с GTP → который запускает синтез вторичных медиаторов (посредников) во внутриклеточной передаче сигнала → которые фосфорилируют ионный канал → это меняет его проницаемость для минеральных ионов → и, как следствие, величину постсинаптической .

Эта цепь событий осуществляется уже за сотни миллисекунд.
С такими медленными лигандзависимыми ионными каналами мы встретимся при изучении механизмов регуляции работы сердца, гладких мышц.

через систему доменных белков приводит к открытию К+-канала синоатриального узла,

входу К+ в клетку, гиперполяризации ее мембраны и снижением ее возбудимости.

ретикулума гладкомышечной клетки.
Их лигандом является вторичный посредник внутриклеточной передачи

сигнала инозитолтрифосфат – ИФ3.

Описаны ионные каналы, характеризующиеся некоторыми структурными и функциональными свойствами, присущими как потенциалзависимым, так и лигандзависимым ионным каналам. Они являются потенциалНЕчувствительными ионными каналами, состояние воротного механизма которых контролируется циклическими нуклеотидами (цАМФ и цГМФ).
Циклические нуклеотиды связываются с внутриклеточной СООН-терминалью каналообразующей молекулы белка и активируют канал. Эти каналы менее избирательны для катионов и регулируют проницаемость для других ионов.
Так, Са2+, поступая через активированные каналы из внеклеточной среды, блокируют проницаемость каналов для Na+.
Такие каналы встречаются в палочках сетчатки глаза, их проницаемость для Са2+ и Na+ определяется уровнем цГМФ.

Лигандзависимые ионные каналы широко представлены в мембранных структурах, обеспечивающих синаптическую передачу сигналов от ряда сенсорных рецепторов в ЦНС; передачу сигналов в синапсах нервной системы и от нейронов к эффекторным клеткам.

в нервный импульс или сложную последовательность внутриклеточных процессов, посредством мембранных

и/или цитоплазматических процессов. Функцию рецепции выполняют специальные образования – рецепторы.

или смежных с ним тканей (тактильные, слухо-вые, гравитационные, равнове-сия, суставно-мышечного

чувства);
2) терморецепторы (тепловые и холодовые), воспринимают изменения температуры;
3) ноцицепторы (болевые рецепторы);
4) электромагнитные, восприни-мают свет на сетчатке глаза;
5) хеморецепторы (вкус, запах, [Na+], осмос)

С собственной ферментативной активностью

Сопряженные с ферментами

Сопряженные с G-белками

Рецепторы

Молекулярные

механозависимые каналы тактильных, гравитационных, болевых нейронных рецепторов и рецепторов равновесия

отолитового аппарата

Механо-зависимый канал

вестибулярного аппарата
Механорецепторы
Вторичночувствующие:
восприятие раздражения происходит в одной клетке, а нервные импульсы

возникают в другой, тесно связанной с первой

Первичночувствующие:
восприятие раздражения и возникновение нервного импульса происходят в одной и той же клетке

область гипоталамуса (центральные нейроны-термосенсоры), ретикулярная формация среднего и спинного мозга
Терморецепторы
Центральные
Реакция

на разность температур
между глубокими и
поверхностными рецепторами

волокна)
Реакция на превышение порога раздражения. 1 тип: механо- и теплове

рецепторы; 2тип - хеморецепторы,

который гидролизуется с водой с образованием 11-транс-ретиналя и опсина. Выделяемая

за 200 фемтосекунд! в этом процессе энергия возбуждает потенциал действия в нейронах сетчатки.

группы, в структурах голубого пятна (locus coeruleus), ретикулярных ядрах шва

ствола мозга, реагируют на водородные ионы в окружающей их межклеточной жидкости мозга

Периферические (артериальные) хеморецепторы расположены в каротидных тельцах в области бифуркации общих сонных артерий и в аортальных тельцах в области дуги аорты, реагируют как на изменение концентрации водородных ионов, так и парциального давления кислорода в артериальной крови.
Обонятельные (запахи – опасные, нейтральные, приятные, феромоны).
Вкусовые (горькое, кислое, сладкое, соленое, умами).
Натриевые (расположены в плотной субстанции нефронов).

Хеморецепторы

крови. Между осморецепторами печени и гипоталамуса, а также нефронами почек

существуют прямые рефлекторные связи.

Открытие ионного канала
Изменение электрического потенциала клеточной мембраны

Изменение функционального состояния клетки

специфического связывания медиатора (L-глутаминовой кислоты);
2) регуляторный, или коактивирующий сайт специфического

связывания глицина;
3) аллостерические модуляторные сайты, расположенные на мембране (полиаминовый) и в ионном канале (сайты связывания фенциклидина, двухвалентных катионов и потенциалзависимый Mg2+-связывающий участок).

Молекулярная организация ионотропного рецептора

Активация G–белка
Активация фермента, катализирующего образование второго посредника

Образование второго посредника
Активация протеинкиназы
Фосфорелирование эффекторного белка
Изменение функционального состояния клетки

конформацию и запускает активность гуанозинфосфатазы, образующей ГТФ из ГДФ, последний

активирует аденилатциклазу, преобразующую аденозинмонофосфат в его циклическую форму. цАМФ активирует каскад внутриклеточных киназ, последняя из которых запускает клеточный ответ.

лиганд

Комплекс лиганд-рецептор

Аденилатциклаза

ГДФ

ГТФ

цАМФ

Молекулярная организация рецепторов, связанных с G-белком

АДЕНИЛАТЦИКЛАЗНАЯ СИСТЕМА

ответ
Лиганды (первичные посредники) – гидрофильные амины, аминоподобные вещества, пептиды:
ацетилхолин, гистамин,

катехоламины (дофамин, норадреналин, адреналин), серотонин, гормоны гипофиза
Вторичные посредники (мессенджеры):
циклические нуклеотиды (цАМФ, цГМФ – гуанилатциклазная система),
диацилглицерол (ДАГ)
инозитолдифосфат (ИТФ2)
инозитолтрифосфат (ИТФ3)

тромбоцитов, инсулин и др.,

глюкокортикоиды, минералокортикоиды, дигидротестостерон, прогестины, эстрогены)