Lektsii_po_biofizike_Baskakov_Kapilevich

(медиаторами, мессенджерами). Для поддержания целостности организма, координации активности тканей и тонкой регуляции функций клеток в процессе эволюции у многоклеточных организмов выработался сложный механизм межклеточных взаимодействий, который осуществляется с помощью сигнальных молекул. Вследствие взаимодействия сигнальной молекулы с рецептором мембраны внутри клетки вырабатываются так называемые вторичные посредники, которые запускают каскадный механизм, приводящий в конечном итоге к изменению активности клетки. Если сигнальная молекула является гидрофобным соединением и способна проникать внутрь клетки, то, как мы увидим далее, вторичные посредники не образуются. В следующей главе остановимся более подробно именно на внутриклеточной регуляции, опосредованной вторичными мессенджерами.

Общая характеристика системы регуляции клеточной активности, обусловленной вторичными посредниками

В животных организмах в зависимости от расстояния, на которое распространяется действие сигнальных молекул, выделяют 4 типа сигнализации – эндокринную, паракринную, синаптическую и аутокринную.

Эндокринная сигнализация предполагает, что сигнальные молекулы, чаще всего гормоны, образуются в клетках (эндокринные железы), находящихся на значительном расстоянии от клеток-мишеней, к которым доставляются, как правило, с током крови.

При паракринной регуляции сигнальные молекулы, выделяемые секреторной клеткой, действуют на близлежащие клетки-мишени.

Синаптическая передача, характерная только для нервной системы, в настоящем пособии рассматриваться не будет.

При аутокринной сигнализации сигнальная молекула, продуцируемая данной клеткой, оказывает воздействие на эту же самую клетку. Этим путем действуют многие факторы роста.

Межклеточная коммуникация посредством внеклеточных сигнальных молекул включает несколько основных этапов:

Биосинтез сигнальных молекул

Секреция сигнальных молекул

Транспорт сигнальных молекул к клеткам-мишеням

Восприятие сигнала специфическим рецептором

Изменение клеточного метаболизма или экспрессии генов, запускаемое лиганд*-рецепторным комплексом

Устранение действия сигнального механизма и прекращение клеточного ответа на сигнал

*– Под лигандом здесь понимается сигнальная молекула.

81

Классификация сигнальных молекул

Межклеточные сигнальные молекулы, в отличие от вторичных посредников, часто называют первичными посредниками. Рассмотрим классификацию, которая учитывает химическую структуру сигнальной молекулы и способ ее действия.

1.Небольшие липофильные молекулы, которые диффундируют через мембрану и связываются с внутриклеточными рецепторами.

2.Липофильные молекулы, которые взаимодействуют с рецепторами клеточной мембраны.

3.Гидрофильные молекулы, которые взаимодействуют с рецепторами клеточной мембраны.

Кпервой группе относятся стероидные гормоны, вырабатываемые половыми железами и корой надпочечников, а также тиреоидные гормоны. Рецепторы стероидных гормонов обладают высокой избирательностью к лиганду. Они представлены крупными белками (50–120 кДа), в отсутствии гормона расположенными в цитоплазме или ядре и включающими ряд доменов, которые выполняют определенные функции. Информация об этом представлена в таблице 2.

		Таблица 2
Домены внутриклеточных рецепторов
Домен		Функция
Гормон-связывающий домен	Связывание гормона
	Участвуют в	узнавании специфических
ДНК-связывающий и сайт-	нуклеотидных	гормон-респонсивных
специфический домены	элементов (энхансеров) и последующее
	связывание рецептора с ДНК

В неактивном состоянии рецептор стероидного гормона присутствует в клетке в виде комплекса с белком-ингибитором. Связывание гормона с рецептором вызывает конформационные изменения в молекуле рецептора, что приводит к уменьшению его сродства к белку-ингибитору и диссоциации комплекса. Затем происходит димеризация рецепторов, что повышает его сродство к ДНК. Итогом является инициация транскрипции определенных генов.

Ко второй группе сигнальных молекул относятся производные арахидоновой кислоты – эйкозаноиды (от греческого слова eikosi – 20). Их представителями являются простагландины, лейкотриены, простациклины и тромбоксаны. Эйкозаноиды образуются практически во всех клетках, их биосинтез инициируется фосфолипазой А2. Эйкозаноиды регулируют многие физиологические процессы: стимуляцию сокращения гладкомышечных клеток, болевые и воспалительные реакции, секрецию желудочного сока, агрегацию тромбоцитов и др. Наиболее хорошо из этой группы сигнальных молекул изучены простагландины. В отличие от классических гормонов, простагландины синтезируются во всех типах тканей, а не в специализированных эндокринных клетках. Секреция простагландинов идет

82

конститутивно с невысокой скоростью. При поступлении регуляторных сигналов скорость секреции возрастает. В отличие от других липофильных сигнальных молекул простагландины действуют через мембранные рецепторы. Их регуляторное действие распространяется как на синтезирующие их клетки (аутокринное действие), так и на близлежащие клетки (паракринное действие).

Третью группу сигнальных молекул составляют гидрофильные гормоны, факторы роста, лимфокины (цитокины), нейротрансмиттеры. Гормоны вырабатываются специализированными эндокринными железами или клетками, транспортируются к клеткам-мишеням посредством кровотока. Иногда факторы роста и цитокины объединяют в группу гистогормонов. Общим для них является следующее:

вырабатываются обычными неэндокринными клетками;

распространяются путем диффузии в межклеточное пространство;

оказывают паракринное или аутокринное действие.

Факторы роста представляют собой белки, которые стимулируют (ингибируют) деление и развитие определенных клеток. Примеры факторов роста:

эпидермальный фактор роста;

фактор роста нейронов;

фактор роста фибробластов и др.

Цитокины участвуют в воспалительных, иммунных и других защитных реакциях организма. В связи с этим они вырабатываются клетками иммунной системы. Примерами цитокинов могут служить интерлейкины и интерфероны.

Общим механизмом действия гидрофильных сигнальных молекул является запуск каскадов внутриклеточных сигналов, приводящих к определенным физиологическим эффектам.

Общая схема действия гидрофильных сигнальных молекул

Сигнальная система, возбуждающаяся посредством гидрофильных сигнальных молекул, включает три основных компонента.

1.Рецептор, специфически узнающий и взаимодействующий с сигнальной молекулой.

2.Трансдуктор сигнала – гетеротримерный ГТФ – связывающий белок

(G-белок) (рис. 20).

3.Эффектор, воспринимающий и усиливающий сигнал. Взаимодействие лиганда с рецептором вызывает запуск каскадного

механизма, усиливающего исходный сигнал, что сопровождается образованием вторичного посредника. Внутриклеточный медиатор вызывает активацию соответствующей протеинкиназы, фосфорилирующей определенные белки, что в конечном счете ведет к физиологическому эффекту.

83

Рис. 20. Механизмы передачи сигнала с участием вторичных посредников.

Ниже приведем подробную характеристику компонентов этой регуляторной системы.

Классификация мембранных рецепторов

Общие свойства рецепторов Рецепторы представляют собой интегральные белки, которые связывают

сигнальные вещества на внешней поверхности мембраны. За счет изменения пространственной структуры они генерируют новый сигнал на внутренней стороне мембраны. Этим сигналом определяются дальнейшие события, приводящие к физиологическому ответу. Рецепторы находятся в двух состояниях – активном и неактивном. Равновесие между этими двумя состояниями зависит от природы лиганда, связывающегося с рецептором. Агент, который переводит рецептор в активное состояние, называется агонистом. В неактивное состояние рецептор переводит антагонист.

Один из подходов к классификации рецепторов учитывает агонисты, с которыми взаимодействует рецептор. В этой связи выделяют холинергические, адренергические, дофаминергические, серотониновые и др. рецепторы.

Все рецепторы обладают рядом характеристик. Сведения об этом приведены в таблице 3.

			Таблица 3
Характеристики рецепторов
Характеристики		Объяснение
Селективность	Это свойство основано на строгой
	структурной	специфичности.	Данный
	лиганд должен быть либо единственным
	веществом, связывающимся с рецептором,
	либо эффективно конкурировать с другими
	за места связывания
Насыщаемость	Число мест связывания должно быть
	конечным
Сродство к лиганду	Насыщение	происходит	при
	физиологических концентрациях агониста
	84

Тканевая специфичность	Связывание агониста происходит в той
	ткани, где наблюдается его биологическое
	действие
Обратимость действия	Блокада связывания агониста с рецептором
	должна	приводить	к	обратимости
	биологического эффекта

Другой принцип классификации основан на механизме передачи внеклеточного сигнала. Согласно этому подходу, выделяют 4 типа рецепторов.

1)Рецепторы-каналы. Связывание с лигандом приводит к изменению конформации рецептора, что позволяет определенным ионам проходить через канал. Результатом активации таких рецепторов является изменение мембранного потенциала или внутриклеточного уровня вторичного посредника.

Примеры: ионные каналы и никотиновый ацетилхолиновый рецептор в нервно-мышечном соединении; Са2+-каналы саркоплазматического ретикулума.

2)Рецепторы, сопряженные с G-белками. В результате связывания

лиганда с рецептором активируется G-белок, который стимулирует или ингибирует ферменты, производящие вторичные посредники.

Примеры: холинергические, адренергические и др.

3) Каталитические рецепторы, проявляющие ферментативную активность. Этот класс рецепторов включает несколько подтипов:

рецепторы, проявляющие гуанилатциклазную активность;

рецепторы, проявляющие фосфатазную активность;

рецепторы, проявляющие тирозинкиназную активность.

Кпоследней подгруппе принадлежат рецепторы инсулина, многих ростовых факторов.

4) Рецепторы, не проявляющие каталитической активности, но сопряженные с тирозинкиназой. Связывание с лигандом приводит к димеризации мономерных рецепторов, которые активируют тирозинкиназу.

Примеры: рецепторы цитокинов, интерферонов, некоторых ростовых факторов.

Механизмы функционирования рецепторов

Функционирование рецепторов-каналов

Среди рецепторов-каналов наиболее хорошо изучены никотиновые ацетилхолиновые рецепторы, находящиеся на постсинаптической мембране нервно-мышечного соединения. Он является первым ионным каналом, который был выделен в чистом виде и для которого впервые была определена аминокислотная последовательность. Впервые этот канал использовался для реконструкции в липидный бислой, для него впервые был записан сигнал во время открывания одиночного канала. Успехи в изучении этого типа каналов связаны с тем, что обнаружился источник, богатый никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами – электрические органы скатов и других

85

электрических рыб. Кроме того, нашли эффективный молекулярный «инструмент» для изучения этих каналов – -бунгаротоксин (нейротоксин яда некоторых змей), который является блокатором этих каналов.

Никотиновый ацетилхолиновый рецептор представляет собой гликопротеин, состоящий из 5 субъединиц (2 , , , ), которые кодируются 4 разными генами. Он имеет 2 участка для связывания ацетилхолина. Связывание 2 молекул ацетилхолина с рецептором вызывает его конформационные изменения, что приводит к открыванию канала. Время открытого состояния канала составляет примерно 1 мсек. Канал не обладает высокой селективностью: он может пропускать ионы натрия, калия и кальция, но не анионы. Ток положительных ионов через канал вызывает деполяризацию постсинаптической мембраны, что, в свою очередь, приводит к открыванию потенциалозависимых натриевых каналов и генерации потенциала действия.

Особенности рецепторов, связанных с G-белками Функционирование рецепторов, сопряженных с G-белками, связано с

продуцированием вторичных посредников.

Эти рецепторы имеют 7 трансмембранных доменов, каждый из которых содержит 20–25 аминокислотных остатков, образующих -спираль. Кроме того, имеется 8 гидрофильных доменов, которые представляют собой чередующиеся внеклеточные и цитоплазматические петли.

86

Рис.21. Виды мембранных рецепторов.

87

N – концевой домен рецептора, расположенный на внешней стороне мембраны, имеет участки для гликозилирования, в то время как цитоплазматические петли обогащены остатками серина и треонина, которые служат мишенями для протеинкиназ. G-белок взаимодействует с тремя цитоплазматическими петлями рецептора. Большинство авторов считают, что взаимодействие рецептора и G-белка является гидрофобным, однако определенный вклад в эти отношения вносят и электростатические силы.

Рецепторы и связанные с ними -субъединицы G-белков подвергаются в клетке различным модификациям, что вызывает изменения в их структуре. Благодаря этому осуществляется тонкая регуляция процесса сигнальной трансдукции. Примером такой модификации является фосфорилирование различных локусов рецептора протеинкиназами, что вызывает появление отрицательных фосфорных групп и вследствие этого изменение заряда вдоль фосфорилированной аминокислотной последовательности. Результатом этого является дестабилизация -спирали рецептора и изменение отношений с G- белком (рис. 21).

ГТФ–связывающие белки (G-белки)

ГТФ–связывающие белки или G-белки являются гетеротримерными, состоят из , и -субъединиц, взаимодействуют и с рецептором и с эффектором. -субъединицы участвуют в формировании домена для связывания гуаниновых нуклеотидов и обладают ГТФ-азной активностью.

В неактивном состоянии -субъединица G-белка связана с ГДФ. Присоединение агониста к рецептору вызывает изменение его конформации, вследствие чего рецептор связывается с G-белком. Образование комплекса G- белка с рецептором приводит к тому, что ГДФ меняется на ГТФ. Результатом является активация G-белка: он отделяется от рецептора и диссоциирует на - субъединицу и -комплекс. Связанная с ГТФ -субъединица присоединяется к белку-эффектору и изменяет его активность. В роли белков-эффекторов выступают аденилатциклаза, фосфолипаза С, белки ионных каналов, обменников и др. В результате описанного взаимодействия может измениться синтез вторичных посредников, ионная проницаемость мембраны и др. Переход G-белка в неактивное состояние происходит благодаря гидролизу ГТФ. Как только осуществится замена ГТФ на ГДФ -субъединица теряет свою активность, отсоединяется от белка-эффектора и ассоциируется с - комплексом (рис. 22).

По действию на аденилатциклазу было установлено наличие двух типов G-белков: активирующие (GS-белки) и ингибирующие (Gi-белки). В качестве молекулярных инструментов для различения этих белков используют бактериальные токсины.

Так, холерный токсин оказывает воздействие на GS-белки, а коклюшный токсин – на Gi-белки. Оба токсина содержат фермент АДФ-рибозилазу. АДФрибозилирование -субъединицы GS-белка приводит к ее необратимой активации, т.к. препятствует гидролизу ГТФ. Итогом этого является активация аденилатциклазы и непрекращающаяся наработка цАМФ. АДФ-

88

рибозилирование ингибирующего Gi-белка препятствует диссоциации его на - субъединицу и -комплекс. Результатом является устранение ингибирующего действия Gi-белка на аденилатциклазу и продолжение выработки цАМФ.

Рис. 22. Механизм оперирования G-белка.

89

В последнее время выявили еще одно семейство G-белков – так называемые Rho-белки или мономерные G-белки. Их особенностью является то, что они обладают ГТФ-азной активностью, но состоят из одной субъединицы и активируют так называемые Rho-киназы.

Функционирование каталитических рецепторов, проявляющих ферментативную активность

Одним из важнейших классов каталитических рецепторов являются рецепторы, проявляющие тирозинкиназную активность (рецепторные тирозинкиназы) (рис. 23).

Рис. 23. Механизмы активации димерных рецепторов, связанных с тирозинкиназой.

Агонистами этих рецепторов являются либо факторы роста, либо гормоны. Главная функция рецепторных тирозинкиназ – каскадная передача

90