Рецепторы возбудимых тканей

 

В каждой клетке функционируют обычно несколько разных рецепторов к одному и тому же химическому сигналу (например, α- и β-адренорецепторы). В дополнение, клетка чувствительна к нескольким регуляторным молекулам (нейромедиаторам, гормонам, простагландинам, факторам роста). Каждый из этих регуляторов имеет характерные продолжительность и амплитуду регуляторного сигнала. На уровне исполнительных систем клетки может происходить как потенциирование, так и взаимное гашение разных регуляторных сигналов[A78].

 

Передача сигнала через мембрану не всегда сопряжена с включением G-белков. Существенное количество рецепторов, как мы говорили, имеет свойства самостоятельного канала. Эти рецепторы объединяются в класс рецепторов быстрого ответа и осуществляют ответ на сигнал в течение нескольких миллисекунд. На возбудимые ткани, к которым относятся нервные, мышечные и секреторные клетки, информация передается через специальное образование – синапс. Из окончания нервной клетки выделяется нейромедиатор, взаимодействующий с рецепторами постсинаптической мембраны другой клетки. Наиболее типичным примером подобных рецепторов является ацетилхолиновый рецептор (холинорецептор).

Холинорецепторы подразделяются на два типа: никотиновые и мускариновые. Как для первых, так и для вторых агонистом[A79] является ацетилхолин, однако первый тип рецепторов активируется еще и никотином, а второй – мускарином, веществом, содержащимся в мухоморе (Amanita muscarina).

 

 

 [A80]

 

Никотиновые рецепторы расположены в месте контакта аксонов со скелетными мышцами[A81], а мускариновые сосредоточены в мозге, секреторных клетках, гладкой и сердечной мышцах. Успех в исследовании рецепторов во многом обязан применению природных токсинов, в первую очередь, ядов пчел, пауков, змей и некоторых земноводных. Эти яды содержат фосфолипазы, разрушающие мембранные фосфолипиды, что также приводит к нарушению передачи сигнала в клетке, но наиболее прямой путь парализовать жертву – ингибировать ее быстрые рецепторы. Этим путем и пошла эволюция, в результате которой у некоторых животных из различных классов (рыбы, земноводные, змеи, насекомые) появились яды – блокаторы быстрых рецепторов.

 

α-Бунгаротоксин из яда змей семейства эланидов (кобры, мамбы и др.), способен селективно и необратимо связываться с никотиновым холинорецептором. Это позволило идентифицировать рецепторный белок и очистить его. Первичная структура холинорецептора сначала была установлена для белка из электрического органа ската (в этой ткани концентрация рецепторного белка на два порядка превышает его концентрацию в других тканях, что существенно облегчает процедуру выделения). [A82]

 

Позднее на основе исследования соответствующих генов первичная последовательность холинорецептора была определена для тканей человека, теленка, цыпленка и некоторых других животных.

Холинорецептор (рис. 76) состоит из четырех субъединиц – α, β, γ и δ; их молярное соотношение в белке 2:1:1:1, а молекулярные массы – 40, 50, 60 и 65 кДа соответственно. Все субъединицы рецептора гликозилированы, и на долю углеводного компонента приходится около 20 кДа. Первичная последовательность всех субъединиц холинорецептора у различных классов животных весьма консервативна: гомология превышает 50%, а для некоторых субъединиц (например, α-субъединица электрического ската и человека) – 80%. Из изолированных α-, β-, δ-субъединиц ткани электрического ската и γ-субъединицы теленка удалось реконструировать холинорецептор, обладающий функциональной активностью.

 

 Рис. 76. Структура никотинового холинергического рецептора, формирующего ионный канал

 

Субъединицы, полипептидные цепи которых четыре раза пронизывают липидный бислой, гликозилированы извне клетки, а внутри взаимодействуют с белками тубулинового и актинового цитоскелета[A83].

 

Пять субъединиц холинорецептора, в последовательности α-β-α-γ-δ образуют канал, проницаемый для ионов натрия, калия, кальция и даже некоторых органических катионов.

Холинорецептор локализован на постсинаптической мембране клетки и при связывании ацетилхолина изменяет свою конформацию таким образом, что через устье, сформированное канальными субъединицами, внутрь клетки устремляются ионы Na+.

Происходит деполяризация мембраны, что приводит к выходу К+ из клетки. Ток ионов К+ возвращает потенциал мембраны к исходной величине. В процессе этой перезарядки мембраны, осуществляемой потенциалом действия, через этот же канал внутрь клетки могут входить ионы Са²⁺. Следовательно, этот канал нельзя назвать избирательным в отношении катионов. В то же время это быстродействующая регуляторная система – потенциал действия, вызываемый ацетилхолином, возникает и затухает в тканях мозга за 1–2 мсек, благодаря чему синапс может проводить от аксона на иннервируемую клетку до 500 имп/с. В нервно-мышечном синапсе потенциал действия длится несколько дольше (80–120 мсек).

Такое быстрое развитие и тушение сигнала возможны благодаря быстроте связывания ацетилхолина с рецептором, а также высоким скоростям его диссоциации от рецептора и разрушения ацетилхолинэстеразой. Разумеется, не менее важен и механизм открывания канала за счет конформационных переходов, происходящих в наносекундном интервале. Бесперебойное функционирование холинергического синапса требует большого запаса ацетилхолина, который синтезируется впрок и накапливается в везикулах пресинаптической мембраны. Кроме того, в клетках должны существовать достаточно высокие градиенты ионов Na+ и К+ по обе стороны плазматической мембраны, которые создаются и поддерживаются Na/K-нacocoм.

Быстродействие ацетилхолина (как и других нейромедиаторов) определяется также особенностями того морфологического образования, которое существует между аксоном и иннервируемой клеткой и которое называется синапсом. Благодаря тому, что расстояние между пре- и постсинаптической мембранами составляет всего 300–500 Å, а холинорецепторы сконцентрированы в виде[A84] кластеров в области участков секреции ацетилхолина, в момент разрыва секреторного пузырька нейромедиатор быстро оказывается в месте его рецепции. Кроме того, при раздражении аксона происходит выброс столь большого количества ацетилхолина, что молекулы этого нейромедиатора мгновенно насыщают все рецепторы и вызывают массированный вход Na+ в клетку (развитие потенциала действия).

Холинергические рецепторы никотинового типа имеют довольно низкое сродство к ацетилхолину – полумаксимальное насыщение рецепторов наблюдается в присутствии 10-4 М ацетилхолина, поэтому как только ацетилхолинэстераза (локализованная в областях, соседствующих с молекулами холинорецентора) начинает гидролизовать ацетилхолин и понижать его уровень в синапсе, происходят диссоциация этого нейромедиатора от рецептора и возвращение канала в закрытое состояние.

Сродство рецептора к нейромедиатору или гормону определяется соотношением скоростей диссоциации и ассоциации гормонрецепторного комплекса. При константе диссоциации 10-4–10-3 М скорость диссоциации ацетилхолина от рецептора составляет доли миллисекунды, что, очень важно для быстрого восстановления синаптической передачи. По «канальному» механизму работают и некоторые другие рецепторы, имеющие близкую молекулярную массу и, как правило, состоящие из нескольких субъединиц. В зависимости от селективности ионов, пропускаемых каналом, эти рецепторы генерируют деполяризацию или гиперполяризацию мембраны. Вероятно, что «ворота» каналов всех этих рецепторов открываются по единому механизму, так как у некоторых субъединиц различных рецепторов найдены гомологичные участки.

Совершенно иную, отличающуюся от холинергического рецептора никотинового типа, структуру и другой механизм функционирования имеет так называемый мускариновый холинергический рецептор (мХР) (рис. 77), который локализован преимущественно вне синапса. На этот рецептор не действует никотин, но он легко активируется мускарином (алкалоидом из ядовитых грибов), а также, разумеется, ацетилхо[A85]

 

 

Рис. 77. Система проведения сигнала путем образования вторичных посредников и последующей химической модификации белков β-R – бета-адренергический рецептор, M2-R – холинергический рецептор мускаринового типа.

 

 

лином, к которому имеет сродство порядка 106 М.

Существуют, по крайней мере, четыре типа мускариновых рецепторов, причем все они близки по структуре (их полипептидная цепь семь раз пронизывает мембрану) и сопряжены с G-белками, но передают сиг-нал разным системам внутриклеточной сигнализации.

Так, например, мХР могут стимулировать фосфолипазу С, которая гидролизует фосфоинозитиды, и ингибировать аденилатциклазу, а также активировать К+-канал. К этому классу рецепторов относятся и адренергические рецепторы, а также опиатные рецепторы коры полушарий мозга.

Ответ этих рецепторов растянут во времени. Эффекты мускариновых холинорецепторов развиваются спустя 1–2 мин после взаимодействия с рецептором и гасятся за десятки мин. Столь разительное отличие в скоростях проведения ацетилхолинового сигнала между никотиновым и мускариновым рецепторами объясняется, прежде всего, разной кинетикой связывания лиганда с соответствующими рецепторами (диссоциация ацетилхолина от мускаринового рецептора происходит весьма медленно), сложным каскадом проведения сигнала в случае мускариновой регуляторной системы (необходимо[A86] последовательное взаимодействие рецептора с соответствующим G-белком, затем G-белка с определенным ферментом или каналом), а также сравнительно медленно протекающими реакциями синтеза вторичных посредников, фосфорилирования и дефосфорилирования белков.