Клеточная рецепция и инициация проведения сигнала

Клетки-мишени распознают сиг­нальные молекулы, или первичные мессенджеры, с помощью специаль­ных молекулярных структур — рецеп­торов, имеющих белковую природу. В механизме распознавания сигналов существенное значение имеет конформационное соответствие молекул ли­ганда и рецептора, которые «подходят» друг к другу так же, как ключ подходит к замку. Присоединение лиганда к ре­цептору ведет к аллостерическому из­менению конформации рецепторного белка (процесс, называемый активацией рецептора), в результате чего из­меняется функциональная активность рецептора.

Как правило, рецепторы способны связываться не только с эндогенными лигандами, но и с другими структурно сходными молекулами. Это позволя­ет использовать экзогенные вещества, взаимодействующие с рецепторами и изменяющие их состояние, в качестве лекарственных препаратов. В настоя­щее время более 60 % лекарственных средств, применяемых для лечения больных людей, действуют на сигналь­ные системы клетки.

Все рецепторы по их локализации в клетке подразделяются на две боль­шие группы: внутриклеточные рецеп­торы и рецепторы, расположенные в плазматической мембране.

Внутриклеточные рецепторы рас­полагаются в цитоплазме или в ядре клетки. Неактивные рецепторы обычно находятся в составе комплексов с дру­гими белками — шаперонами, и лишь после связывания лиганда рецептором лиганд-рецепторный комплекс осво­бождается от указанных белков и акти­вируется. Химическими сигналами для внутриклеточных рецепторов служат молекулы, которые переносятся через плазматическую мембрану путем про­стой диффузии. К ним, например, от­носятся стероидные гормоны, гормоны щитовидной железы и простагландины. Важная особенность работы внутрикле­точных рецепторов заключается в том, что они не только распознают и связы­вают сигнальные молекулы, но и сами участвуют в передаче сигнала, выполняя при этом, как правило, функцию транс­крипционных факторов (рис. 5.4).

Рецепторы, расположенные в плазматической мембране (их называют также рецепторами клеточной поверх­ности), относятся к интегральным мем­бранным белкам. Рецепторы клеточной поверхности взаимодействуют с разно­образными сигнальными молекулами, общим признаком которых служит гидрофильность и, следовательно, невоз­можность прямого переноса через ли­пидный бислой плазматической мем­браны внутрь клетки. Выделяют три главных типа рецепторов клеточной по­верхности: рецепторы ионных каналов, рецепторы, сопряженные с G-белками, и каталитические рецепторы.

Рецепторы ионных каналов пред­ставляют собой регулируемые лиганда­ми ионные каналы, которые распола­гаются в мембране постсинаптической клетки и участвуют в синаптической передаче сигналов между электрически возбудимыми клетками. Обычно такие рецепторы состоят из нескольких субъ­единиц, пронизывающих всю толщу плазматической мембраны. Специфи­ческие сигнальные молекулы, связыва­ясь с белком-рецептором, изменяют его конформацию, в результате чего ионные каналы открываются или закрываются (рис. 5.5).

Хорошей иллюстрацией рабо­ты рецепторов ионных каналов служит функционирование никотинового ацетилхолинового рецептора, расположен­ного в мембране мышечного волокна в области нервно-мышечного синапса. В открытом состоянии этот канал про­ницаем для различных катионов (Na⁺, К⁺, Са²⁺) и непроницаем для анионов. Проведение электрического импульса в нервной клетке приводит к освобожде­нию ацетилхолина из ее нервных окон­чаний в синаптическую щель. После связывания ацетилхолина с рецептором ионный канал рецепторного белка сра­зу же открывается, что сопровождается значительным притоком положительно заряженных ионов, преимущественно катионов Na⁺, внутрь мышечной клетки. Это вызывает деполяризацию мембра­ны мышечной клетки и ее сокращение. Для того чтобы сокращения мышечной клетки могли успешно регулироваться сигналами, поступающими от нервной клетки, ацетилхолин быстро удаляет­ся из синаптической щели. Это дости­гается за счет диффузии ацетилхолина из синаптической щели в окружающее межклеточное пространство, а также посредством расщепления медиатора, находящегося в синаптической щели, ферментом ацетилхолинэстеразой на ацетат и холин. Таким образом, меха­низм синаптической передачи сигналов между электрически возбудимыми клет­ками с помощью рецепторов ионных каналов заключается в преобразовании ими химических сигналов в электри­ческие. Процесс передачи сигнала от рецепторов ионных каналов (их также называют ионотропными рецепторами) отличается большой скоростью и длится менее миллисекунды.

Рецепторы, сопряженные с G-белка­ми, относятся к одному из наиболее распространенных типов клеточных рецепторов и функционируют в тес­ной кооперации с регуляторными G-белками. G-белки названы так, по­скольку в своем сигнальном механизме они используют замену ГДФ на ГТФ как молекулярный функциональный «вы­ключатель» для регулировки клеточ­ных процессов. Они встречаются у всех представителей эукариот и отличаются широкой функциональной специализа­цией. Например, в организме человека с ними взаимодействуют нейромедиа­торы, гормоны, факторы роста и другие биологически активные соединения. Указанные рецепторы входят также в состав зрительного, обонятельного и вкусового анализаторов. Однако, не­смотря на большое функциональное разнообразие рецепторов, сопряжен­ных с G-белками, все они имеют сход­ную структуру (рис. 5.6).

Типичный ре­цептор представляет собой интеграль­ный белок, который состоит из одной полипептидной цепи, пронизывающей липидный бислой плазматической мем­браны семь раз. Такие белки называют «серпантинными». N-концевой участок полипептидной цепи рецептора нахо­дится на наружной стороне мембраны, а домен, содержащий карбоксильную группу, — на внутренней.

Рецепторы, сопряженные с G-белка­ми, чаще всего передают сигнал путем активации или инактивации определен­ных ферментов (например, аденилат-циклазы, фосфолипазы С) или ионных каналов, связанных с плазматической мембраной. При этом взаимодействие между рецептором и ферментом или ионным каналом осуществляется не прямым путем, а опосредованно через регуляторные белки, которые получи­ли название гуанилат-связывающих регуляторных белков, или G-белков. Указанные белки состоят их трех субъе­диниц (G_γ G_γ G_α), имеют центры связы­вания гуаниловых нуклеотидов — гуанозиндифосфата (ГДФ) и гуанозинтрифосфата (ГТФ), обладают собственной фосфатазной активностью, позволяю­щей им гидролизовать ГТФ до ГДФ. Благодаря этому они способны функ­ционировать как «выключатели». Если с G-белком связан ГТФ, то это соответ­ствует его активированному состоянию (G — ГТФ), то есть положению «вклю­чено». Если в нуклеотид-связывающем центре G-белка присутствует ГДФ, то такая его форма (G—ГДФ) неактивна, что соответствует положению «выклю­чено».

Рецепция и инициация проведения сигнала с участием рецепторов, сопря­женных с G-белками, осуществляется следующим образом (рис. 5.7).

Сигнальная молекула, например гормон, связываясь с рецептором, ин­дуцирует его активацию (этап I). Ак­тивированный рецептор вызывает изменение конформации G-белка, об­мен ГДФ, связанного с G-белком, на присутствующий в среде ГТФ и диссо­циацию субъединиц G-белка (этапы II—III). После этого активированная α-субъединица (альфа-субъединица) G-белка диффундирует в плоскости плазматической мембраны и, взаимо­действуя с ферментом, активирует его (этап IV). Спустя некоторое время, бла­годаря собственной гуанозинфосфатазной активности G-белка, связанный с указанным белком ГТФ гидролизуется до ГДФ. В результате α-субъединица G-белка становится неактивной, от­деляется от фермента и связывается с другими субъединицами G-белка с об­разованием его исходной тримерной неактивной структуры (этап V).

Рецепторы и сопряженные с ними G-белки могут не только активировать соответствующие ферменты, но и инак­тивировать их. Сопряжение рецептора с G-белком позволяет не только усили­вать передаваемый сигнал, так как одна молекула G-белка способна активиро­вать или инактивировать много моле­кул фермента, но и осуществлять тон­кую регуляцию работы рецептора.

Каталитические рецепторы в от­личие от рецепторов, сопряженных с G-белками, обладают собственной ферментативной активностью. К наи­более изученным каталитическим ре­цепторам относятся тирозинкиназные рецепторы (рис. 5.8).

Каталитический домен таких рецеп­торов располагается с внутренней сто­роны цитоплазматической мембраны и функционирует как тирозинкиназа — фермент, который переносит фосфат­ные группы от АТФ на гидроксильную группу тирозиновых остатков белков. В неактивном состоянии тирозинкиназный рецептор обычно состоит из двух отдельных полипептидных цепей, имеющих сходное строение, цитоплаз­матические домены которых обладают ферментативной активностью. Связы­вание сигнальной молекулы, например фактора роста, с рецептором вызывает агрегацию двух полипептидных це­пей с образованием димерного белка.

Одновременно с этим осуществляется перекрестное автофосфорилирование тирозиновых остатков цитоплазмати­ческих доменов рецепторного белка и его активация. Сигнальные системы с участием тирозинкиназных рецепторов играют большую роль в регуляции ме­таболизма, роста, деления и дифференцировки клеток. Например, в организме человека с тирозинкиназными рецеп­торами связываются многочисленные факторы роста, гормон инсулин, цитокины и другие биологически активные соединения.

Передача сигнала от ре­цепторов клеточной поверхности

К эффекторным молекулам

Передача сигнала от рецепторов клеточной поверхности, как правило, осуществляется с участием нескольких релейных белковых молекул, состав­ляющих основу сигнал-передающих путей. В многоступенчатом процессе передачи сигнала активированный ре­цептор изменяет конформацию и био­логическую активность взаимодей­ствующих с ним белков-посредников, и далее сигнал, подобно падающему домино, передается другим релейным молекулам, последовательно акти­вируя их и достигая, в конце концов, эффекторных белков, реализующих ответную реакцию клетки. Таким об­разом, передача сигнала от рецепторов клеточной поверхности к эффектор­ным молекулам включает цепь моле­кулярных взаимодействий релейных белковых молекул, которые сопрово­ждаются специфическими изменения­ми их конформации и биологической активности.

Многие релейные белки, участвую­щие в проведении сигнала от рецепто­ров клеточной поверхности к эффек­торным белкам, представляют собой протеинкиназы — ферменты, которые переносят фосфатную группу от моле­кул АТФ на другие белковые молекулы, в результате чего биологическая ак­тивность фосфорилированных белков изменяется. Цитоплазматические про­теинкиназы, участвующие в передаче сигнала в клетке, отличаются высокой специфичностью по отношению к свое­му субстрату, благодаря чему дости­гается «адресное» фосфорилирование только определенных белков. Часто в процессе передачи сигнала после фосфорилирования и активации одной протеинкиназы следуют повторяющие­ся друг за другом реакции фосфорилирования других протеинкиназ, что при­водит к образованию каскада реакций фосфорилирования (рис. 5.9).

Наличие каскадов реакций фосфорилирования с участием митогенактивируемых про­теинкиназ характерно для многих сиг­нальных систем, контролирующих про- лиферативную активность клеток. На­ряду с протеинкиназами большую роль в передаче сигналов играют ферменты протеинфосфатазы, которые быстро удаляют фосфатные группы от белков. Этот процесс получил название дефосфорилирования. За счет дефосфорилирования протеинфосфатазами белков, ранее фосфорилированных протеинки­назами, достигается переход их из ак­тивного в исходное неактивное состоя­ние, что делает возможным проведение нового сигнала от рецептора. Таким об­разом, в каждый данный момент актив­ность релейных белков, регулируемых фосфорилированием, зависит от балан­са активности ферментов протеинкиназ и протеинфосфатаз. Благодаря этому система, обеспечивающая фосфорили­рование и дефосфорилирование белков в клетке, действует как «молекулярный выключатель», который активирует или инактивирует релейные белки, участвующие в проведении сигнала.

Каскад реакций фософорилирования с участием митогенактивируемых протеинкиназ характерен для сигнальных путей, идущих от тирозинкиназных рецепторов, с которыми связы­ваются разнообразные факторы роста (рис. 5.10).

В передачу сигнала в таких сигналь­ных системах, кроме митогенакти­вируемых протеинкиназ (МАПК), во­влекаются так называемые Ras-белки. Ras-белки — продукты онкогена ras, впервые идентифицированного в сар­коме крысы (от англ. rat sarcomas). Указанный белок представляет собой мономерную ГТФазу, связанную с вну­тренней стороной цитоплазматической мембраны. Подобно G-белкам, Ras-белок может находиться в активной и неактивной формах. В активной фор­ме с Ras-белком связан ГТФ, в неактив­ной — ГДФ. Функциональное состояние Ras-белка регулируется двумя белками. Один из них, получивший название SOS-белка (фактор, высвобождающий гуаниловые нуклеотиды), при взаимо­действии с Ras-белком стимулирует за­мещение в нем ГДФ на ГТФ, в результа­те чего Ras-белок активируется. Второй белок, называемый Grb-белок (от англ. growth factor receptor bound), при взаи­модействии с Ras-белком усиливает его гуанозинфосфатазную активность и тем самым способствует переходу Ras-белка в неактивную форму, в кото­рой он находится в обычных условиях.

Связывание фактора роста с тирозинкиназным рецептором вызывает автофосфорилирование тирозинкиназного домена рецепторного белка и его активацию. В результате рецептор при­соединяет специфический адапторный Grb-белок и активирует SOS-белок, ко­торый стимулирует замену в Ras-белке ГДФ на ГТФ. Активированный Ras-белок инициирует каскад реакций фос­форилирования с участием цитоплазма­тических митогенактивируемых проте­инкиназ (киназа киназы митогенактивируемой протеинкиназы — МАПККК; киназа митогенактивируемой протеин­киназы - МАПКК; митогенактивируемая протеинкиназа — МАПК), резуль­татом чего служит изменение экспрес­сии генов, контролирующих клеточную пролиферацию.

Указанный механизм регуляции де­ления клеток действует у организмов, находящихся на разных уровнях орга­низации (червей, насекомых, млекопи­тающих и др.).

Во многих сигнальных путях, иду­щих от рецепторов клеточной поверх­ности, в проведении сигнала, наряду с белками, участвуют малые небелко­вые молекулы и ионы, которые получи­ли название вторичных посредников или вторичных мессенджеров. Эти молеку­лы, благодаря своим малым размерам и хорошей растворимости в воде, быстро диффундируют в цитоплазме клетки и действуют как аллостерические эф­фекторы — присоединяясь к определенным белкам, изменяют их конформацию и биологическую активность. К наиболее распространеным вторичным посредникам относятся циклический аденозин монофосфат (цАМФ) и ионы Са²⁺

Циклический аденозин монофосфат в клетках животных и человека синте­зируется из АТФ ферментом аденилатциклазой, связанным с плазматической мембраной клетки, и быстро расще­пляется цАМФ-фосфодиэстеразами до аденозин-5'-монофосфата (рис. 5.11).

Процесс проведения сигнала с уча­стием цАМФ лучше всего изучен при действии адреналина на клетки печени животных и человека (рис. 5.12).

Связывание адреналина с рецепто­ром, сопряженным с G-белком, акти­вирует фермент аденилатциклазу. Этот фермент превращает аденозин трифос- фат (АТФ) в циклический аденозин-монофосфат, или цАМФ. В результате концентрация цАМФ в клетке быстро возрастает. Образовавшийся цАМФ активирует протеинкиназу А, которая фосфорилирует другой фермент - ки­назу фосфорилазы. Киназа фосфорилазы в свою очередь фосфорилирует и тем самым активирует фермент гликогенфосфорилазу, катализирующий реакцию деполимеризации гликогена с образованием глюкозо-1-фосфата. Активированная протеинкиназа А фос­форилирует также фермент гликогенсинтетазу, катализирующий последний этап в реакциях синтеза гликогена из глюкозы. Это приводит к потере актив­ности указанного фермента и к прекра­щению синтеза гликогена. В отсутствие гормона концентрация цАМФ в клетке быстро снижается, так как этот цикли­ческий нуклеотид под действием фер­мента фосфодиэстеразы превращается в аденозинмонофосфат — соединение, лишенное какой-либо биологической активности.

Таким образом, действие адренали­на на мышечные клетки сопровождается одновременно как усилением рас­пада, так и прекращением синтеза гликогена, что способствует максимальной мобилизации энергетических ресурсов организма в условиях стресса.

Ионы Са²⁺ в качестве вторичных посредников в сигнальных системах используются даже чаще, чем цАМФ. В обычных условиях концентрация ука­занных ионов в цитозоле клетки при­мерно в 10 000 раз меньше, чем в окру­жающей клетку среде. Столь низкая концентрация ионов Са²⁺ в цитозоле связана с активным транспортом их Са²⁺-насосами из цитозоля в окружаю­щую среду, а также в полость эндоплазматического ретикулума и матрикс ми­тохондрий (рис. 5.13).

Другая важная особенность ионов Са²⁺ как вторичных посредников связана со способностью указанных ионов связываться с различ­ными внутриклеточными белками и изменять их биологическую активность. Благодаря этому ионы Са²⁺ участвуют в регуляции самых разнообразных про­явлений клеточной активности: метабо­лизма, секреции, пролиферации и др.

В сигнальных системах, в которых в качестве вторичного посредника ис­пользуются ионы Са²⁺, в механизме проведения сигнала участвуют два других посредника: инозитолтрифосфат и диацилглицерол (рис. 5.14).

В клетках животных эти посредники образуются из мембранного липида фосфатидилинозитол-4,5-дифосфата под действием фермента фосфолипазы С, связанного с плазмалеммой клетки.

В общей форме механизм проведе­ния сигнала от рецепторов клеточной поверхности с участием ионов кальция осуществляется по определенной схеме (рис. 5.15).

Взаимодействие сигнальной мо­лекулы с поверхностным рецепто­ром приводит к активации фермента фосфолипазы С, связанного с плаз­малеммой клетки. В результате это­го расположенный во внутреннем слое цитоплазматической мембраны фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат под действием фосфолипазы С гидро­лизуется с образованием двух вторич­ных посредников: инозитолтрифосфата и диацилглицерола, и далее путь пере­дачи сигнала разделяется на две ветви.

Инозитолтрифосфат быстро диф­фундирует из мембраны в цитоплазму и связывается с кальциевыми канала­ми, встроенными в мембрану эндоплазматического ретикулума. В результате кальциевые каналы открываются, и ионы Са²⁺ по градиенту концентрации выходят из полости эндоплазматиче- ского ретикулума в цитозоль. Увеличе­ние концентрации ионов Са²⁺ в цитозоле и их связывание с Са²⁺-связывающими белками инициирует многие ответные реакции клеток: секрецию, клеточное деление, мышечное сокращение и др.

После освобождения рецептора от сигнальной молекулы инозитолтрифос- фат, связанный с кальциевыми канала­ми эндоплазматического ретикулума, дефосфорилируется цитоплазматиче­скими фосфатазами и отсоединяется от ионных каналов, в результате чего они закрываются. Имеющийся в цитозо­ле избыток ионов Са²⁺, как отмечалось выше, удаляется из него с помощью АТФ-зависимых Са²⁺-насосов, встроен­ных в мембрану эндоплазматического ретикулума и плазмалеммы. Благода­ря указанным механизмам, активность инозитолтрифосфата и высокая концен­трация ионов Са²⁺ сохраняются в клетке лишь в течение короткого времени, не­обходимого для проведения сигнала.

Диацилглицерол, образующийся в ре­зультате гидролиза фосфатидилинозитол-4,5-дифосфата, в отличие от инозитолтрифосфата, сохраняет связь с плазмалеммой и потенциально спо­собен выполнять две функции. Одна из них связана с распадом диацилглицерола под действием ферментов с образовани­ем арахидоновой кислоты, необходимой для синтеза простагландинов и других эйкозаноидов, инициирующих многие от­ветные реакции клетки. Вторая функция диацилглицерола заключается в актива­ции в присутствии ионов Са²⁺ фермента протеинкиназы С, который участвует в регуляции многих клеточных процессов: деления, секреции, транспорта и др.

Механизм проведения сигнала от поверхностных рецепторов, реализуе­мый несколькими релейными молеку­лами, обеспечивает более совершенную регуляцию ответных реакций клеток на действие различных сигнальных моле­кул, чем простая передача сигнала без посредников. Благодаря указанному механизму достигается значительное усиление сигнала и, следовательно, от­ветной реакции клетки. Это обуслов­лено тем, что на каждом последующем этапе на пути передачи сигнала акти­вируется значительно больше молекул-посредников, чем на предыдущем.

Например, связывание одной мо­лекулы адреналина с рецептором клет­ки печени приводит к образованию в ней нескольких миллионов молекул глюкозо-1-фосфата. Наличие несколь­ких релейных молекул, вовлеченных в передачу сигнала, обеспечивает воз­можность взаимодействия сигналов, идущих от разных рецепторов (рис. 5.16),

а также «ветвления» сигнальных путей, идущих от одного рецептора (рис. 5.17), и, как следствие этого, фор­мирования нескольких ответных реак­ций клетки на действие одного и того же сигнала.