2018-02-14
4577
Важное свойство всех живых существ – способность воспринимать, перерабатывать и передавать информацию. Несмотря на громадное разнообразие систем получения и переработки информации, функционирующих в животных и растительных организмах, все они основаны на едином принципе. Процесс получения информации, как правило, начинается с взаимодействия сигнала (химического агента, кванта света, механического воздействия и т.п.) с рецептором – мембранным белком. Следующий этап – передача информации в центр переработки информации, находящийся внутри клетки. Этот процесс происходит с помощью вторичных мессенджеров (посредников).
В ответ на получение сигнала вторичного мессенджера в клетке происходит биохимическая модификация специализированных молекул-эффекторов, через которые и формируется ответ биологической системы (рис. 63).
Рис. 63. Три основных механизма нейроэндокринной регуляции клеток[A39]
Именно по такому принципу функционируют нервная, гормональная и иммунная системы животных, на такие же стадии могут быть разложены и фотобиологические процессы, протекающие в организмах как животных, так и в растений. Общий принцип действия всех систем приема и передачи информации связан не только с химической модификацией мембранных белков, но и с изменением концентрации заряженных ионов внутри и вне клетки, формирование трансмембранного потенциала. В последнее время выяснилось, что этот процесс играет важную физиологическую роль не только в нервной ткани, но и при переработке информации в тромбоцитах, лимфоцитах, тучных клетках.
Сигнальные молекулы, включая молекулы большинства гормонов, как правило, не проникают внутрь клетки, а специфически взаимодействуют с рецепторами, локализованными во внешней клеточной мембране и представляющими собой интегральные мембранные белки, полипептидная цепь которых пронизывает толщу мембраны несколько раз и которые могут быть выделены из[A40] мембраны только после ее разрушения, например, с помощью детергента. Стероидные и тиреоидные гормоны, будучи гидрофобными по своей природе, способны проникать через плазматическую мембрану внутрь клетки, где они взаимодействуют с растворимыми рецепторными белками, локализованными в цито- и (или) нуклеоплазме. Они представляют, по-видимому, эволюционно более примитивный (но и более гарантированный) способ передачи информации.
Разнообразные молекулы, инициирующие трансмембранную передачу сигналов, активируют рецепторы, действуя на них обычно при очень низких концентрациях, порядка 10-8-9 М.
Важно помнить, что поверхность животной клетки очень динамична. Внутриклеточные везикулы часто сливаются с плазматической мембраной, а участки плазматической мембраны, в свою очередь, могут отшнуровываться с образованием внутриклеточных везикул. Эти процессы составляют часть эндоцитозного и экзоцитозного путей, в которых рецепторы также играют важную роль.
ТИПЫ РЕЦЕПТОРОВ
Рецепторные белки делятся на два класса: глобулярные и мембранные. Первые представляют собой свободно плавающие в цитоплазме клетки высоко афинные к определенным типам молекул соединения. Появление лигандов для этих рецепторов в цитоплазме приводит к изменению свойств этих рецепторов и выполнению ими своих функций. Например, солюбилизированная протеинкиназа С, связывая ионы кальция, присоединяется к мембране и начинает атаковать мембранные субстраты. Другим примером такого способа управления является регуляция синтеза некоторых клеточных белков альдостероном – появляясь в крови, этот гидрофобный гормон легко проникает через клеточную мембрану, находит в цитоплазме свой рецептор и образует с ним комплекс, способный проникать в ядро. Так комплекс распадается и высвобождающийся рецептор служит фактором инициации экспрессии соответствующих генов.
Другой пример передачи информации – это интегральные белки, которые связывают сигнальные вещества на внешней стороне мембраны и за счет изменения своей конформации генерируют новый сигнал на внутренней стороне мембраны.
Рецептор, вне зависимости от природы связывающегося с ним эффектора, имеет общий план строения: участок, расположенный вне клетки, внутримембранный участок и участок, погруженный в цитоплазму. Внешний и внутренний участки рецептора являются вариабельными, его срединная часть – константной. N-конец рецептора (внешний) специфичен к внешнему сигналу, тогда как внутренний С-конец – к ассоциированному с рецептором внутри[A41] клеточному белку. Свойства последнего и определяет, с какой из внутриклеточных сигнальных систем будет осуществляться взаимодействие.
В рассматриваемом случае сам сигнал, будь это химическое вещество, квант света, или даже механическое воздействие, обычно не проникает внутрь клетки, а преобразуется в результате модификации мембранных белков, которая приводит к образованию (высвобождению) молекул посредников – вторичных мессенджеров.
В общем виде передача сигнала через мембрану может быть сведена к трем основным стадиям: I – взаимодействие сигнальной молекулы с рецептором, II – конформационная перестройка рецепторной молекулы и изменение функции специализированных мембранных белков – посредников, III – образование «вторичных мессенджеров» – сравнительно небольших молекул (ионов), диффузия которых в клетке к определенным субклеточным структурам обеспечивает стремительное распространение сигнала. Механизмы передачи информации в живых системах универсальны – все громадное разнообразие сигналов, полученное различными рецепторами, преобразуется по единому принципу за счет идентичности II и III стадий передачи информации через мембрану.
Различают три типа рецепторов (рис[A42].).
Рис. 64. Основные типы мембранных рецепторов C – внешний сигнал; Рц – рецепторный белок; индекс * при компоненте сигнальной системы означает, что он находится в состоянии «включено», α – α-субъединица G-белка, которая может находиться в связанной с гуанозиндифосфатом (ГДФ) или гуанозинтрифосфатом (ГТФ) форме; βγ – функционирующий как единое целое комплекс β- и γ-субъединиц G-белка; Р – фосфатный остаток (остатки), ковалентно связанный с рецептором; Эф – эффекторы. А – рецепторы, сопряженные с G-белками; Б – рецепторы–ионные каналы; В – рецепторы, ассоциированные с ферментативной активностью[A43].
1. Рецепторы первого типа являются белками, имеющими одну трансмембранную полипептидную цепь. Это аллостерические ферменты, активный центр которых расположен на внутренней стороне мембраны.
Многие из них являются тирозиновыми протеинкиназами. К этому типу принадлежат рецепторы инсулина, ростовых факторов и цитокинов.
Связывание сигнального вещества ведет к димеризации рецептора. При этом происходит активация фермента и фосфорилирование остатков тирозина в ряде белков. В первую очередь фосфорилируется молекула рецептора (автофосфорилирование).
2. Ансамбли рецепторов с ионными каналами. Эти рецепторы являются олигомерными мембранными белками, образующими лиганд-активируемый ионный канал. Связывание лиганда ведет к открыванию канала для ионов Na+, K+ или Сl-. По такому механизму осуществляется действие нейромедиаторов, таких, как ацетилхо[A44] лин (никотиновые рецепторы: Na+- и К+-каналы) и γ-аминомасляная кислота (ГАМК А-рецептор, являющийся Сl—каналом).
Ансамбли рецепторов с ионными каналами – это интегральные мембранные олигомерные белки, состоящие из нескольких субъединиц, полипептидная цепь которых неоднократно пересекает наружную клеточную мембрану. Кроме канальных структур они одновременно содержат белковые рецепторы, которые способны специфически связывать с внешней стороны мембраны лиганды, изменяющие ионную проводимость канала.
Рецепторы данного типа используют в качестве первичных сигналов некоторые нейротрансмиттеры, отвечающие за синаптическую передачу в электрически возбудимых клетках. Классические примеры такого рода – это катионные ацетилхолиновые рецепторы. Ионные каналы этих рецепторов могут находиться в трех основных состояниях: 1) закрытое состояние (в отсутствие внешнего сигнала); 2) активированное (открытое) состояние (первичный мессенджер связан с рецептором); 3) инактивированное (закрытое) состояние – может наступать, когда первичный мессенджер еще связан с рецептором.
3. Рецепторы третьего типа, сопряженные с ГТФ-связывающими белками (ГТФазами). Полипептидная цепь этих белков включает семь трансмембранных тяжей. Такие рецепторы передают сигнал с помощью ГТФ-связывающих белков на белки-эффекторы, расположенные на соседних участках мембраны или в цитоплазме.
Функция этих белков заключается в тонкой модификации клеточного метаболизма.
Таким образом, связывание сигнальной молекулы с мембранным рецептором влечет за собой какой-либо из трех видов внутриклеточного ответа, которые и будут рассмотрены ниже.
Рецепторы, ассоциированные с ферментативной активностью, по своей субъединичной структуре весьма разнообразны. Как правили, они представены мономерными белками, но могут легко объединяться в олигомерные мембранные ансамбли в зависимости от присутствия первичного мессенджера. Практически у всех этих рецепторов полипептидная цепь пересекает клеточную мембрану единственный раз. Общим у них является также то, что участок для восприятия первичного сигнала локализован на стороне, обращенной во внеклеточное пространство. По механизму взаимодействия с цитоплазматическими мишенями рецепторы данного типа разделяются на две группы.
Первая группа включает рецепторы-ферменты, с цитоплазматической стороны которых находится каталитический участок, активируемый при действии на рецептор внешнего сигнала (рис. 65).
Рис. 65. Основные сигнал-трансдукторные системы клетки АЦ – аденилилциклаза, ГЦ – гуанилилциклаза, КМ – кальмодулин, КМ-ПК – кальмодулиновая ПК, ФЛ С – фосфолипаза С, ФИ – фосфоинозитиды, ФХ – фосфатидил-холин, ИФ3 –- инозитолтрифосфат, ДАГ –диацилглицерид, ИН – инсулин, ФРК – факторы роста клеток, ЦК – цитокины, ТК – тирозинкиназа
К ним относится обширное семейство рецепторных тирозиновых протеинкиназ, способных к аутофосфорилированию по тирозино[A45] вым остаткам, а также к фосфорилированию тирозиновые остатки других белков-мишеней.
К этой же группе относятся рецепторы, обладающие протеинфосфатазной активностью, которые дефосфорилируют фосфотирозиновые остатки белков-мишеней. Как киназы, так и фосфатазы вовлекаются в регуляцию таких важнейших событий, как клеточное деление, дифференцировка, развитие иммунного ответа.
Вторая группа рассматриваемых рецепторов собственной ферментативной активностью не обладает. Однако в присутствии внешнего сигнала они приобретают способность связывать цитоплазматические (не рецепторные) протеинтирозинкиназы, которые в свободном состоянии неактивны, но в комплексе с рецептором активируются и фосфорилируют его. Включение фосфатных остатков в такой рецептор-«якорь» создает условия для связывания с[A46] ним других белков-мишеней, которые также фосфорилируются и тем самым передают сигнал. В эту группу входят рецепторы, участвующие в развитии иммунного ответа, а именно: рецепторы антигенов и рецепторы цитокинов, или интерлейкинов.
Ряд белков (эффекторов) осуществляет свои функции в результате фосфорилирования цАМФ-зависимыми протеинкиназами.
Молекула протеинкиназы состоит из двух субъединиц: регуляторной и каталитической. цАМФ связывается с регуляторной субъединицей, что приводит к отделению каталитической субъединицы (она становится активной) и фосфорилированию соответствующего белка. Большое семейство протеинкиназ подразделяется на группы по механизму активации и по типу субстрата. ПК-А активируются цАМФ, ПК-G – цГМФ, ПК-С – диацилглицеролом, Са2+/кальмодулин-зависимые киназы – ионами кальция. Классификация по типу субстрата зависит от того, какая аминокислота фосфорилируется данным ферментом – известны тирозинкиназы и серин/треонинкиназы. Многие протеинкиназы являются растворимыми белками, другие относятся к мембранным белкам, имеющим трансмембранные домены или заякоренным на мембране с помощью жирных кислот.
8.1.1. G–БЕЛКИ И ВТОРИЧНЫЕ МЕССЕНЖЕРЫ
В настоящее время в основу классификации клеточных сигнальных систем положены вторичные мессенджеры и регулируемые ими клеточные реакции. Таким образом, к числу основных сигнальных систем относятся: циклоаденилатная; Са2+-фосфоинозитолтрисфосфат-зависимая; липоксигеназная; НАДФН-оксидазная (супероксид-синтазная); NO-синтазная. В последнее время особое внимание привлекает МАР-киназная система (Mitogen Aktivated Protein kinase), регулирующая клеточный цикл. В большинстве из них в качестве промежуточного звена вовлекаются так называемые G-белки.
Рецепторы, сопряженные с G-белками (G-protein coupled receptors, GPCR), передают сигнал от первичных мессенджеров к внутриклеточным мишеням с помощью цепи GPCR => G-белок => эффекторный белок (рис. 66).
Рис. 66. Схема строения адреналинового и обонятельного рецепторов а – состояние «выключено», б – состояние «включено». Т – транспортный белок, О – одорант.
Первичными сигналами[A47] для этих рецепторов служат разнообразные молекулы, среди которых низко-молекулярные гормоны и нейромедиаторы (например, адреналин, норадреналин, ацетилхолин, серотонин, гистамин), опиоиды, гормоны пептидной и белковой природы (адренокортикотропин, соматостатин, вазопрессин, ангиотензин, гонадотропин, эпидермальный фактор роста), некоторые нейропептиды. В этот же ряд попадают множество химических сигналов, воспринимаемых обонятельными и вкусовыми сенсорными клетками, а также свет, рецептором для которого служит пигмент фоторецепторных клеток родопсин (см. раздел 8.3).
Один и тот же первичный сигнал может передавать информацию через несколько разных GPCR, так что если число внешних сигналов для GPCR составляет несколько десятков, то самих рецепторов известно более 200.
Следующий за рецептором компонент сигнального каскада представлен G-белком. Идентифицировано около 20 различных G-белков, наиболее распространенные - Gs и Gi, которые соответственно стимулируют и ингибируют аденилатциклазу; Gq, активирующий фосфолипазу С; G-белки сенсорных клеток: фоторецепторных – Gt, (трансдуцин), обонятельных – Golf и[A48] вкусовых – Gg. G-белки – это гетеротримеры, которые состоят из субъединиц трех типов: α, β и γ. В естественных условиях последние две субъединицы функционируют как единый βγ-комплекс.
Важнейшая характеристика G-белков – присутствие на их α-субъединице центра связывания гуаниловых нуклеотидов: ГДФ и ГТФ. Если с G-белком связан ГТФ, то это соответствует его активированному состоянию (другими словами, G-белок находится в положении «включено»). Если в нуклеотидсвязывающем центре присутствует ГДФ, это соответствует выключенному состоянию. Центральное событие при передаче сигнала от рецептора, на который подействовал первичный сигнал, к G-белку состоит в том, что активированный рецептор катализирует обмен ГДФ, связанного с G-белком, на присутствующий в среде ГТФ. Это событие, обозначаемое как ГДФ/ГТФ-обмен, сопровождается диссоциацией тримерной молекулы G-белка на две функциональные субъединицы: α-субъединицу, содержащую ГТФ, и βγ-комплекс. Далее одна из этих функциональных субъединиц, какая именно – зависит от типа сигнальной системы, взаимодействует с эффекторным белком, представленным ферментом или катионным каналом. Как следствие, функциональная активность эффектора меняется, что, в свою очередь, приводит к изменению цитоплазматической обстановки и в конечном счете инициирует тот или иной клеточный ответ. Эффекторными белками в сигнальных системах типа GPCR => G-белок => эффекторный белок могут быть аденилатциклаза, катализирующая синтез цАМФ из АТФ; фосфолипаза С, гидролизующая фосфатидилинозитол с образованием ДАГ и IР3; фосфодиэстераза, расщепляющая цГМФ до ГМФ; некоторые типы калиевых и кальциевых каналов.
Весьма важно, что при передаче сигнала в каскаде рецептор => G-белок => эффекторный белок исходный внешний сигнал может многократно усиливаться. Это происходит благодаря тому, что одна молекула рецептора за время пребывания в активированном состоянии (R*) успевает перевести в активированную форму (G*) несколько молекул G-белка. Например, в[A49] зрительном каскаде родопсин => Gt => цГМФ-фосфодиэстераза на каждую молекулу R* может образоваться несколько сот или даже тысяч молекул G*, а это означает, что на первой стадии каскада R* => G* коэффициент усиления внешнего сигнала составляет 102–103. Хотя на следующей стадии каскада (G* => эффекторный белок) каждая молекула G* взаимодействует только с одной молекулой эффекторного белка, сигнал здесь также амплифицируется, поскольку на каждую молекулу G* и соответственно активированного эффекторного белка в цитоплазме появляется (исчезает) большое число молекул вторичного сигнала. Так, в зрительном каскаде на второй его стадии одна молекула активированной цГМФ-фосфодиэстеразы способна расщепить в секунду до 3 тыс. молекул цГМФ, служащего в фоторецепторных клетках вторичным мессенджером. Поскольку усиление внешнего сигнала на обеих стадиях суммируется, в конечном счете коэффициент амплификации сигнала при его прохождении через каскад может достигать весьма высоких значений: в зрительных клетках усиление составляет величину порядка 105–106.
Ясно, что прекращение действия внешнего стимула должно сопровождаться «выключением» всех компонентов сигнальной системы. На уровне рецепторов это достигается, во-первых, в результате диссоциации первичного сигнала из комплекса с GPCR, во-вторых, путем фосфорилирования рецепторов под действием специальных протеинкиназ и последующего связы-вания с модифицированным рецептором специального белка (например, β-аррестина). G-белки обладают способностью гидролизовать связанный с ними ГТФ до ГДФ, что обеспечивает их инактивацию. И наконец, чтобы переход клетки к исходному (до действия внешнего стимула) состоянию завершился, специальные механизмы восстанавливают исходный уровень вторичного мессенджера или катиона в ее цитоплазме. Например, цАМФ, цитоплазматическая концентрация которого повышается при передаче сигнала в каскаде β-адренорецептор => Gs-белок => аденилатциклаза, гидролизуется затем цАМФ-фосфодиэстеразой до нециклического (линейного) AMФ, который свойствами вторичного мессенджера не обладает[A50].
G-белки ответственны за трансмембранную передачу сигналов множества гормонов или нейромедиаторов к разнообразным мишеням клетки. Четыре G-белка к настоящему времени очищены до гомогенного состояния и биохимически охарактеризованы: Gt (трансдуцин), Gs, Gi и Go. Оказалось, что каждый из них имеет уникальные мишени (эффекторные белки). Gt активирует цГМФ-специфичную фосфодиэстеразу в наружных сегментах палочек сетчатки; Gs и Gi, соответственно, стимулируют и ингибируют аденилатциклазу и присутствуют во всех клетках; Go представлен в большом количестве в клетках мозга и, по-видимому, ингибирует электрочувствительный Са2+-канал в нейронах.
Ряд существенных G-белков пока не очищен. Так, Gp, который использует в качестве мишени фосфатидилинозитолспецифичную фосфолипазу С, инициирует быстрый распад фосфатидилинозитола в плазматической мембране и образование нескольких вторичных посредников. Другой G-белок, Gk, по-видимому, открывает К+-специфичные каналы в сердечной мышце и других клетках; Ge-белки участвуют в регуляции экзоцитоза. В некоторых случаях один G-белок внутри клетки может реагировать на связывание лиганда с одним из нескольких разных рецепторов. Такая ситуация имеет место, например, для белка Gk из ганглионарных клеток Aplysia. Кроме того, G-белки могут иметь больше одной мишени. В качестве примера можно привести белок Gt, который активирует как цГМФ-фосфодиэстеразу, так и фосфолипазу А2 в наружных сегментах палочек сетчатки быка. По-видимому, в этих процессах участвуют различные субъединицы Gt.
Все G-белки прочно связаны с плазматической мембраной, за исключением трансдуцина, который может диссоциировать от мембраны. Ни одна из субъединиц не является трансмембранным белком.
Однако по меньшей мере в некоторых случаях γ-субъединица ацилирована и может присоединяться к мембране с помощью ковалентно связанной жирной кислоты. В качестве такого якоря для закрепления в мембране G-белков часто используется миристат.
Наиболее распространенными мишенями G-белков являются аденилатциклаза (для Gs и Go) и фосфолипаза С, ответст[A51] венная за гидролиз фосфатидилинозитола (для Gp). Модуляция аденилатциклазы приводит к изменению внутриклеточной концентрации цАМФ, который, как известно, влияет на множество внутриклеточных процессов. Одним из последствий увеличения содержания цАМФ является, например, стимуляция цАМФ-зависимой протеинкиназы (протеинкиназа А), которая в свою очередь фосфорилирует специфические белковые субстраты. Клетки содержат также два типа Са2+-зависимых протеинкиназ, активируемых, соответственно, Са2++кальмодулином и Са2++диацилглицеролом и фосфатидилсерином (протеинкиназа С). Активность обеих этих киназ регулируется вторичными посредниками, образующимися при обмене фосфатидилинозитола, которая во многих клетках инициируется путем G-белок зависимой активации специфической фосфолипазы С.
Молекулярные машины, обеспечивающие передачу сигнала от рецепторов к внутриклеточным мишеням, состоят, как правило, из нескольких белковых компонентов, совокупность которых обычно именуют каскадом передачи сигнала или сигнальным каскадом.
Как мы видели, помимо белковых посредников в передачу сигнала внутри клетки вовлекаются относительно небольшие молекулы, служащие вторичными посредниками, или мессенджерами (от англ. messenger – посыльный). В содержание данного понятия вкладывается смысл «следующий по цепочке передачи сигнала», а не вторичность или меньшую значимость данного соединения. Для обозначения сигнальных молекул повсеместно используется термин «мессенджер», а не «посредник». Дело в том, что в цитоплазме в передачу сигнала вовлечены как разнообразные белки, так и малые молекулы, причем функционально все они являются посредниками между рецептором, на который подействовал внешний стимул, и клеточным ответом. Однако между ними есть и принципиальное различие: белки образуют своеобразную молекулярную машину, которая, с одной стороны, чувствует внешний сигнал, а с другой – обладает ферментативной или иной активностью, модулируемой этим сигналом, в то время как малые молекулы действительно служат посыльными (мессенджерами) между[A52] различными белками, полиферментными комплексами или даже клеточными структурами. Самый известный пример такого посыльного – это уже упоминавшийся выше цАМФ, среди других наиболее важных вторичных мессенджеров следует упомянуть циклический гуанозин-3',5'-монофосфат (цГМФ), инозитол-1,4,5-трисфосфат (обозначаемый как ИФ3), диацилглицерол (ДАГ), ион кальция.
Наиболее характерные свойства вторичного мессенджера, во-первых, его относительно небольшая по сравнению с биополимерами молекулярная масса (понятно, что посыльный должен с высокой скоростью диффундировать в цитоплазме), во-вторых, он обязан быстро (по сравнению со временем передачи сигнала) расщепляться (в случае Са2+ – откачиваться). В противном случае сигнальная система останется во включенном состоянии и после того, как действие внешнего сигнала уже прекратилось. Подобные ошибки могут оказаться в прямом смысле фатальными. Так, например, форболовые эфиры, которые представляют собой структурные аналоги диацилглицерола, но в отличие от него в организме не расщепляемые, способствуют развитию злокачественных опухолей. Это происходит потому, что форболовые эфиры вовлекаются в работу некоторых сигнальных систем, которые регулируют клеточное деление с помощью диацилглицерола как вторичного мессенджера. Однако, имитируя действие диацилглицерола и обеспечивая передачу пролиферативного сигнала, они вовремя не расщепляются. В результате сигнальная система перестает чувствовать внешний сигнал и оказывается в перманентно включенном состоянии, а значит, пролиферация клеток перестает быть контролируемой.
