V. трансмембранная передача сигнала

Важное свойство мембран - способность воспринимать и передавать внутрь клетки сигналы из внешней среды. «Узнавание» сигнальных молекул осуществляется с помощью белков-рецепторов, встроенных в клеточную мембрану клеток-мишеней или находящихся в клетке. Клетку-мишень определяют по способности избирательно связывать данную сигнальную молекулу с помощью рецептора.

Если сигнал воспринимается мембранным рецепторами, то схему передачи информации можно представить так:

• взаимодействие рецептора с сигнальной млекулой (первичным посредником);

• активация мембранного фермента, ответ­ственного за образование вторичного посредника;

• образование вторичного посредника цАМФ, цГМФ, ИФ₃, ДАГ или Са²⁺;

• активация посредниками специфических белков, в основном протеинкиназ, которые, в свою очередь, фосфорилируя фермент оказывают влияние на активность внутриклеточных процессов.

Несмотря на огромное разнообразие сигнальных молекул, рецепторов и процессов, которые они регулируют, существует всего несколько механизмов трансмембранной передачи информации: с использованием аденилатциклазной системы, инозитолфосфатной системы, каталитических рецепторов, цитоплазматических или ядерных рецепторов.

А. сигнальные молекулы — гормоны, МЕДИАТОРЫ, ЭЙКОЗАНОИДЫ, ФАКТОРЫ РОСТА, ОКСИД АЗОТА (N0)

Сигнальными молекулами могут быть неполярные и полярные вещества. Неполярные ве­щества, например стероидные гормоны, прони­кают в клетку, проходя через липидный бислой. Полярные сигнальные молекулы в клетку не проникают, но связываются специфическими рецепторами клеточных мембран. Такое взаи­модействие вызывает цепь последовательных со­бытий в самой мембране и внутри клетки. К полярным сигнальным молекулам относят бел­ковые гормоны (например, глюкагон, инсулин, паратгормон), нейромедиаторы (например, ацетилхолин, глицин, γ-аминомасляная кислота), факторы роста, цитокины, эйкозаноиды.

Б. рецепторы

По локализации различают мембранные, цитоплазматические и ядерные рецепторы. По другой классификации все рецепторы можно разделить на быстроотвечающие (в пределах миллисекунд) и медленноотвечающие, в пределах нескольких минут или даже часов, что характерно для гормонов, передающих сиг­нал на внутриклеточные рецепторы. Рецепто­ры первого типа — интегральные олигомерные белки, содержащие субъединицу, имеющую центр для связывания сигнальной молекулы и центральный ионный канал (рис. 5-29).

Рис. 5-29. Участие рецепторов в трансмембранной передаче сигнала.Рецепторы: 1 — связанные с ионными каналами, на­пример рецептор ГАМК; 2 — с каталитической активностью (рецептор инсулина); 3 — передающие сигнал на фосфолипазу С, например α,-адренорецептор; 4— с каталитической активностью (гуанилатциклаза, рецептор ПНФ); 5— передающие сигнал на аденилатциклазу, например β-адренорецепторы; 6 — связывающие гормон в цитозоле или ядре, например рецептор кортизола. пнф - предсердный натрийуретический фактор

Рецепторы второго типа, локализованные в мембранах и не связанные с каналами, подраз­деляют на 2 большие группы: каталитические рецепторы,обладающие собственной тирозинкиназной или гуанилатциклазной активностью, и рецепторы,взаимодействующие через G-белок с мембранным ферментом. Связывание лиганда (например, гормона) с рецептором на на­ружной стороне клеточной мембраны приводит к изменению активности цитоплазматического фермента, который, в свою очередь, иниции­рует клеточный ответ, т.е. через мембрану пе­реносится информация, а не заряды или какие-либо растворённые молекулы.

В случае цитоплазматических рецепторов че­рез мембрану проходит гормон, а информация о присутствии гормона в клетке с помощью ре­цептора передаётся в ядро.

Различные клетки организма в зависимости от выполняемых ими функций имеют опреде­лённый набор рецепторов. В мембране одной клетки может быть более десятка разных типов рецепторов. Взаимодействуя с рецептором, вне­клеточные химические посредники оказывают влияние на метаболизм и функциональное со­стояние (пролиферация, секреция и т.д.) кле­ток-мишеней.

1. Рецепторы адреналина — адренорецепторы

Адренорецепторы различают по распреде­лению в организме — центральные и пери­ферические. Центральные адренорецепторы, локализованные в различных областях мозга, участвуют в регуляции функций ЦНС, пери­ферические — контролируют работу внутрен­них органов.

Все адренорецепторы классифицируют на два типа — α- и β-, но каждый тип имеет не­сколько подтипов, наиболее распространённые из них — α₁-, α₂-, β₁ и β₂-рецепторы. В зави­симости от своего анатомического расположе­ния клетки одного типа, например гладко-мышечные клетки сосудов или адипоциты, со­держат разные типы рецепторов.

Несмотря на значительное подобие между α- и β-рецепторами и их подтипами, они кодируются разными генами. Адренорецепто­ры принадлежат к семейству белков, имею­щих 7 трансмембранных α-спиралей (которые принято называть доменами). Длина N- и С-концов, а также длина 1—4 доменов разли­чается у разных типов и подтипов рецепто­ров (рис. 5-30).

рис. 5-30. Мембранная организацияβ₂-адренорецептора.

1 — фрагмент рецептора, участвующий в связывании Gs-белка; 2, 3 — участки возможного фосфорилирования протеинкиназой А (2) и киназой β-адренорецептора (3); 4 — участок гликозилирования; 5 — участок связывания адреналина.

Адренорецепторы — гликопротеины, вклю­чающие в свой состав различные углеводные фрагменты. Гликозилированию подвергаются расположенные в области N-конца остатки аспарагиновой кислоты.

β-Адренорецепторы встречаются практически во всех тканях организма. Количество β-адренорецепторов, приходящееся на клетку, варьи­рует от 300 до 4000.

Центр связывания адреналина образован ами­нокислотными остатками третьего, пятого и шестого доменов. Другой функционально важ­ный центр — область взаимодействия с G-белками, участвующими в формировании клеточ­ного ответа. Остатки серина и треонина в области третьего внутреннего домена и С-конца адренорецептора могут фосфорилироваться под дей­ствием протеинкиназы А или специфической ки­назой β-адренорецептора. Фосфорилирование приводит к изменению конформации рецептора и снижению сродства к G -белку или препятствует связыванию с G -белком.

α-Адренорецепторы различают по локализации (например, гепатоциты имеют α₁ -рецепторы, адипоциты — α₂-адренорецепторы) и механиз­му трансформации биологического сигнала. Эффекторные системы, связанные с α₁- и α₂-адренорецепторами, включают G-белки разно­го типа - Gр1с-белки (G-белок стимулирую­щий) и Gi-белки (G-белок ингибирующий) и соответственно ферменты - фосфолипазу С или аденилатциклазу.

2 Рецепторы с тирозинкиназной активностью

Тирозиновые протеинкиназы - ферменты, реформирующие специфические белки по тирозину, подразделяют на 2 типа — мембранные (рецепторные) и цитоплазматические. Внутриклеточные тирозиновые протеинкиназы прининимают участие в процессах передачи сигнала в ядро. Рецепторные тирозиновые протеинкиназы участвуют в трансмембранной передаче сигналов.

Примером рецепторной тирозиновой протеинкиназы может служить рецептор инсулина (рис. 5-31).

Рис. 5-31. Активация рецептора инсулина — тирозиновой протеинкиназы.

Рецептор инсулина — тирозиновая протеинкиназа, фосфорилирующая белки по ОН-группам тирозина.

Рецептор состоит из двух α- и двух β-субъедиц, связанных дисульфидными связями и нековалентными взаимодействиями. α- и β-Субъединицы — гликопротеины с углеводной цепью на наружной стороне мембраны. Вне мембраны на её поверхности находятся α-субъединицы. Центр связывания инсулина образо­ван N-концевыми доменами α-субъединиц. β-Субъединицы пронизывают мембранный бислой и не участвуют в связывании инсулина.

Каталитический центр тирозиновой протеинкиназы находится на внутриклеточных доменах β-субъединиц. В отсутствие гормона инсулиновые рецепторы не проявляют тирозинкиназной активности. Присоединение инсулина к центру связывания на α-субъединицах активирует фермент, причём субстратом служит сама тирозиновая протеинкиназа (β-субъединицы), т.е. происходит фосфорилирование β-субъединицы по нескольким тирозиновым остаткам. Фосфорилирование β-субъединиц происходит по механизму межмолекулярного трансфосфорилирования, т.е. ода β-цепь фосфорилирует другую β-цепь той же молекулы рецептора. Это, в свою очередь, приводит к изменению субстратной специфич­ности тирозиновой протеинкиназы; теперь она способна фосфорилировать другие внутриклеточ­ные белки. Активация и изменение специфичности обусловлены конформационными изменениями рецептора инсулина после связывания гормона и аутофосфорилирования.

Ключевой белок, фосфорилируемый тирозиновой протеинкиназой, — субстрат инсулинового рецептора-1 (от англ. Insulin receptor substrate IRS-1). Фосфорилированный IRS-1 активирует ферменты, например тирозиновую фосфопротеинфосфатазу, и белки, участвующие в регуля­ции клеточных процессов.

Дефосфорилирование рецептора под действи­ем тирозиновой фосфопротеинфосфатазы воз­вращает его в неактивное состояние. Сродство рецептора к инсулину снижается при его фосфорилировании протеинкиназой А по амино­кислотным остаткам серина и треонина.