4 основні системи регуляції метаболізму:
Центральна нервова система (за рахунок передачі сигналів за допомогою нервових імпульсів і нейромедіаторів); Ендокринна система (за допомогою гормонів, які синтезуються в залозах і транспортуються до клітин-мішеней (на рис. А); паракрінним і аутокрінная системи (за участю сигнальних молекул, секретується з клітин у міжклітинний простір - ейкозаноїдів, гістаміну, гормонів шлунково-кишкового тракту, цитокінів) (на рис. Б і В); Імунна система (за допомогою специфічних білків - антитіл, Т-рецепторів, білків комплексу гістосумісності.) Всі рівні регуляції інтегровані і діють як єдине ціле.
Ендокринна система регулює обмін речовин за допомогою гормонов.Гормони (грец. Ὁρμάω - збуджую, спонукаю) - біологічно активні органічні сполуки, які виробляються в незначних кількостях в залозах внутрішньої секреції, здійснюють гуморальну регуляцію обміну речовин і мають різну хімічну структуру.
Класичним гормонам притаманний ряд ознак:
Дистантность дії - синтез в залозах внутрішньої секреції, а регуляція віддалених тканин Вибірковість дії Сувора специфічність дії Короткочасність дії Діють в дуже низьких концентраціях, під контролем ЦНС і регуляція їх дії здійснюється в більшості випадків за типом зворотного зв'язку Діють опосередковано через білкові рецептори і ферментативні системи
Організація нервово-гормональної регуляції
Існує сувора ієрархія або підпорядкованість гормонів. Підтримка рівня гормонів в організмі в більшості випадків забезпечує механізм негативного зворотного зв'язку.
Передача гормонального сигналу через мембранні рецептори
Передача інформації від первинного посередника гормону здійснюється через рецептор. Цей сигнал рецептори трансформують в зміна концентрації вторинних посередників, що одержали назву вторинних месенджерів. Сполучення рецептора з ефекторних системою здійснюється через G -белок. Загальним механізмом, за допомогою якого реалізуються біологічні ефекти є процес «фосфорилювання - дефосфорилирования ферментів» Існують різні механізми передачі гормонального сигнали через мембранні рецептори - аденілатціклазную, гуанілатціклазная, інозітолфосфатная системи та інші.
Сигнал від гормону трансформується в зміні концентрації вторинних посередників - цАМФ, цГТФ, ІФ3, ДАГ, Са2 +, NO.
Найпоширеніша система передача гормонального сигналу через мембранні рецептори - аденілатціклазную система.
Комплекс гормон-рецептор пов'язаний з G - білком, який має 3 субодиниці (α, β і γ). У відсутності гормону α- субодиниця пов'язана з ГТФ і аденилатциклазой. Комплекс гормон-рецептор призводить до відщеплення димера βγ від αГТФ. Субодиниця αГТФ активує аденілатциклазу, каталізують утворення циклічної АМФ (цАМФ). цАМФ активує протеїн А (ПКА), фосфоріліруюшую ферменти, які змінюють швидкість метаболічних процесів. Протеїнкінази розрізняють А, В, С та ін.
Адреналін і глюкагон через аденилатциклазную систему передачі гормонального сигналу активують гормонзавісімих ТАГ-липазу адипоцитів. Відбувається при напрузі організму (голодуванні, тривалої м'язової роботі, охолодженні). Інсулін блокує цей процес.
ПротеінкіназаА фосфорилирует ТАГ-липазу і активує її. ТАГ-ліпаза отщепляет від тріацілгліцероловжірние кислоти з утворенням гліцерину. Жирні кислоти окислюються і забезпечують організм енергією.
Передача сигналу з блокаторами. АС - аденилатциклаза, PkA - протеинкиназа А, PkC - протеинкиназа С, ФЛС - фосфоліпаза С, ФЛА2 - А2, ФлD - фосфоліпаза D, ФГ - фосфатидилхолін, ФО - фосфоліпіди, ФК - фосфатидними кислота, АХК - арахідонової кислоти, PIP2 - фосфатіділінозітолбіфосфат , IP3 - інозітолтріфосфат, DAG - диацилглицерол, Pg - простагландини, LT - лейкотрієни.
Адренорецептори всіх типів реалізують свою дію через Gs-білки. α- субодиниці цього білка активують аденілатциклазу, яка забезпечує синтез в клітці цАМФ з АТФ і активацію цАМФ залежної протеїнкінази А. βγ-субодиниці Gs-білка активують Са2 + -канали L-типу і максі-K + -канали. Під впливом цАМФ-залежної протеїнкінази А відбувається фосфорілірованіекінази легких ланцюгів міозину і вона переходить в неактивну форму, не здатну фосфорилювати легкі ланцюги міозину. Процес фосфорилювання легких ланцюгів припиняється і гладком'язових клітина розслабляється.
Взаємодія бета-2 рецептора (позначений синім кольором) c G-білками (позначені зеленим кольором). Рецептори, пов'язані з G-білками, дуже красиві, якщо розглядати архітектурні молекулярні ансамблі клітини як шедеври природи. Їх називають «семіспіральнимі», оскільки вони, спірально упаковані в клітинній мембрані на манер ялинкового серпантину і «пронизують» її сім разів, виставляючи на поверхню «хвостик», здатний сприйняти сигнал і передати конформаційні зміни всієї молекулі.
G-білки (англ. G proteins) - це сімейство білків, що відносяться до ГТФазам і функціонують в якості посередників у внутрішньоклітинних сигнальних каскадах. G-білки названі так, оскільки в своєму сигнальному механізмі вони використовують заміну ГДФ (синій колір) на ГТФ (зелений колір) як молекулярний функціональний «вимикач» для регулювання клітинних процесів.
G-білки діляться на дві основні групи - гетеротрімерние ( «великі») і «малі». Гетеротрімерние G-білки - це білки з четвертинної структурою, що складаються з трьох субодиниць: альфа (α), бета (β) і гамма (γ). Малі G-білки - це білки з однієї поліпептидного ланцюга, вони мають молекулярну масу 20-25 кДа і відносяться до суперсемействуRas малих ГТФаз. Їх єдина поліпептидний ланцюг гомологична α-субодиниці гетеротрімерних G-білків. Обидві групи G-білків беруть участь у внутрішньоклітинної сигналізації.
Циклічний аденозинмонофосфат (циклічний AMФ, цAMФ, cAMP) - похідне АТФ, яке виконує в організмі роль вторинного посередника, що використовується для внутрішньоклітинного поширення сигналів деяких гормонів (наприклад, глюкагону або адреналіну), які не можуть проходити через клітинну мембрану.
Кожній з систем передачі гормонального сигналу відповідає певний клас протеинкиназ
Активність протеинкиназ типу А регулюється цАМФ, протеінкіназиG - цГМФ. Са2 + - кальмодулінзавісімиепротеінкінази знаходяться під контролем концентрації Са2 +. Протеїнкінази типу С регулюються ДАГ. Підвищення рівня будь-якого вторинного посередника призводить до активації певного класу протеинкиназ. Іноді субодиниця мембранного рецептора може мати активність ферменту. Наприклад: тірозіноваяпротеінкіназа рецептора інсуліну, активність якої регулюється гормоном.
Дія інсуліну на клітини-мішені починається після його зв'язування з мембранними рецепторами, при цьому внутрішньоклітинний домен рецептора має тірозінкіназной активністю.
Тірозінкіназазапускает процеси фосфорилювання внутрішньоклітинних білків. Те, що відбувається при цьому автофосфорилювання рецептора веде до посилення первинного сигналу. Інсулін-рецепторний комплекс може викликати активування фосфоліпази С, утворення вторинних посередників інозітолтріфосфат і діацілгліцерола, активацію протеїнкінази С, пригнічення цАМФ. Участь кількох систем вторинних посередників пояснює різноманіття і відмінності ефектів інсуліну в різних тканинах.
Інша система - гуанілатціклазная мессенджерская система.
Цитоплазматичний домен рецептора володіє активністю гуанілатциклази (гемсодержащих фермент). Молекули цГТФ можуть активувати іонні канали іліпротеінкіназуG, фосфорилюється ферменти. цГМФ контролює обмін води і іонний транспорт в нирках і кишечнику, а в серцевому м'язі служить сигналом релаксації.
Передача гормонального сигналу через NO
Інозітолфосфатная система.
Зв'язування гормону з рецептором, викликає зміна конформації рецептора. Відбувається дисоціація G-білка і ГДФ замінюється на ГТФ. Відокремилася α-субодиниця, пов'язана з молекулою ГТФ, набуває спорідненість до фосфоліпазу С. Під дією фосфоліпази-С відбувається гідроліз ліпіду мембрани фосфатидилинозитол-4,5-бісфосфат (ФІФ2) і освіту инозитол-1,4,5-трифосфат (ІФ3) і диацилглицерол (ДАГ). ДАГ бере участь в активації ферменту протеїнкінази С (ПКС). Інозітол-1,4,5-трифосфат (ІФ3) зв'язується специфічними центрами Са2 + -каналу мембрани ЕР, це призводить до зміни конформації білка і відкриття каналу - Са2 + надходить в цитозоль. За відсутності в цитоплазмі ІФ3 канал закритий.