Роль мембранных фосфоинозитидов в передаче сигнала

Для того, чтобы представить механизм действия фосфоинозитидов в качестве вторичных мессенджеров, необходимо более подробно рассмотреть цикл их метаболических превращений в мембране[A53].

 

Внешний сигнал после взаимодействия с рецептором через G-белок (рис. 67) активирует фосфодиэстеразу (фосфолипазу С), которая гидролизует фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат (ИФ2) с образованием диацилглицерола и инозитолтрифосфата (рис. 68).

 

 

 

Рис. 67. Структура фосфолипидов и их гидролиз фосфолипазами

 

 

Рис. 68. Фосфоинозитольный путь передачи сигнала

 

Диацилглицерол фосфорилируется диацилглицеролкиназой в[A54] фосфатидную кислоту (реакция требует присутствия АТФ). Фос-фатидная кислота взаимодействует с цитидинтрифосфатом и образует цитидиндиацилглицеролдифосфат. Это соединение после рекомбинации с инозитом восстанавливает гидролизуемые фосфодиэстеразой фосфоинозитиды. Инозит, необходимый для этой реакции, образуется из инозитолмонофосфата. Реакция катализируется инозитол-1-монофосфатазой, активность которой блокируется ионами лития.

Именно этим процессом объясняется эффективное лечение ионами лития маниакально-депрессивных психозов и некоторых других заболеваний нервной системы. Блокада литием инозитол-1-монофосфатазы замедляет синтез в организме инозита и ослабляет протекающие в нейронах процессы, зависящие от метаболизма фосфоинозитидов.

Инозитолтрифосфат вызывает освобождение кальция из мембран эндоплазматического ретикулума, по-видимому, связываясь со специальным рецептором. Несмотря на то, что процесс выброса кальция из внутриклеточных депо под действием фосфоинозитидов обнаружен в целом ряде клеток, механизм, с помощью которого он открывает внутриклеточные кальциевые каналы, окончательно не выяснен.

По мнению ряда исследователей, в результате передачи сигнала с помощью фосфоинозитидов пути передачи информации могут раздваиваться. Это происходит в результате того, что гидролиз фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата приводит к образованию двух вторичных мессенджеров: инозитолтрисфосфата и диацилглицерола.

Диацилглицерол (ДАГ) выступает в качестве вторичного мессенджера, так как он инициирует механизмы, в результате которых активируются два типа протеинкиназ: протеинкиназа С и цГМФ-зависимая киназа. При этом фосфолипаза С играет ключевую роль в процессе переноса сигналов с рецепторов, которые непосредственно не связаны с аденилатциклазой, но регулируют скорость метаболизма фосфоинозитидов[A55].

 

 

Вклад каждой из ветвей инозитидного пути передачи сигнала может быть исследован с помощью химических соединений, имитирующих действие одного из двух вторичных мессенджеров, образующихся в результате гидролиза фосфоинозитидов и[A56], следовательно, активирующих эти пути регуляции по отдельности. Действие ДАГ имитируется форболовыми эфирами, так как эти соединения вызывают активацию протеинкиназы С. Форболовые эфиры – это соединения растительной природы, их выделяют из семян восточноазиатского растения Croton tigtium. Они резко ускоряют инициацию опухолей канцерогенами. Действие инозитолтрисфосфата имитируется кальциевыми ионофорами, среди которых уже упоминавшийся А 23187.

Между двумя путями передачи сигнала через фосфоинозитидный цикл существует синергизм. Так, например, в тромбоцитах форболовый эфир и кальциевый ионофор совместно вызывают такую мощную секрецию серотонина, какую ни одно из этих соединений по отдельности вызывать не может. Форболовый эфир и кальциевый ионофор могут инициировать деление некоторых клеток. Это позволило предположить, что сигнальные пути, связанные с обменом фосфоинозитидов, могут контролировать не только секрецию гормонов, транспорт ионов, но и пролиферацию клеток.

Появились экспериментальные доказательства того, что форболовые эфиры способствуют опухолевому росту через активацию «диацилглицерольной ветви» фосфоинозитидного сигнального пути.

Диацилглицерол может подвергаться дальнейшей деградации под действием диацилглицероллипазы до арахидоновой кислоты, которая превращается в разнообразные биологически активных метаболиты, в том числе эйкозаноиды и простагландины.

Суммируя сказанное выше, можно утверждать, что при функционировании рассмотренной регуляторной системы образуются по меньшей мере три вторичных посредника: диацилглицерол, ИФ₃ и арахидоновая кислота. Каждый из них выполняет специфические функции, включая увеличение содержания внутриклеточного Са2+ и активацию Са2+-зависимых протеинкиназ.

Эта сигнальная система распространена весьма широко, хотя в деталях механизм регуляции ею специфических клеточных функций пока не ясны[A57].

 

8.1.3. Метаболизм фосфоинозитидов и регуляция проницаемости мембран для ионов Сa²⁺

 

Каков же механизм увеличения внутриклеточной концентрации Са2+, вызываемой инозитолтрифосфатом и диацилглицеролом, по-являющимися при гидролизе фосфатидилинозит-4,5-дифосфата?

Следует иметь в виду, что, во-первых, для работы фосфолипазы С необходим ГТФ, то есть активация рецептора реализуется через G-белок, а во-вторых, метаболизм фосфолипидов обеспечивает, по крайней мере, два процесса: индукцию входа кальция в клетку из внешней среды по градиенту концентрации и выход ионов кальция в цитозоль из внутриклеточных депо.

В модельных системах было показано, что фосфатидная кислота способна транспортировать через искусственные мембраны двухвалентные катионы с эффективностью, близкой к действию кальциевого ионофора А 23187. При этом ионы магния транспортировались значительно медленнее, чем кальция, что говорит о селективности фосфатидной кислоты в качестве кальциевого ионофора.

Относительно механизма ионофорного действия фосфатидной кислоты существует ряд гипотез, ни одна из которых в настоящее время не может быть признана достаточно доказательной. По-видимому, фосфатидная кислота каким-то образом модифицирует структуру липидного бислоя, образуя участки с небислойной упаковкой молекул. При этом на границе бислоя и монослоя образуются «каналы» для ионов кальция[A58]

Хотя имеется громадное количество факторов, указывающих на то, что под действием фоинозитол-трисфосфата происходит освобождение Са2+ в физиологических условиях, механизм его участия в открывании Са-канала не ясен. Он вызывает освобождение Са2+ в клетках поджелудочной железы, стимулирует мобилизацию запасенного кальция в процессе индуцируемого гормоном поступления глюкозы из печени в кровь. В ооцитах лягушки поток ионов Са2+ увеличивается вдвое в ответ на стимуляцию трифосфоинозитолом. Секреция гранул, осуществляющаяся яйцеклеткой сразу после оплодотворения (в результате чего образуется так называемая оболочка оплодотворения), также вызывается ионами кальция[A59], концентрация которых в яйцеклетке резко увеличивается в ответ на внутриклеточную инъекцию трифосфоинозитидов.

На долю фосфатидилинозитола приходится лишь 2–8% всех фосфолипидов, содержащихся в клеточных мембранах эукариот.

Структура его полярной головки представлена в таблице 1. Этот фосфолипид называют миоинозитолом, поскольку впервые он был выделен из мышечного гомогената. Небольшая часть фосфатидилинозитола фосфорилирована в положении 4 или в положениях 4 и 5. От 1 до 10% фосфатидилинозитола, присутствующего в мембране, приходится на долю ФИФ2. Этот компонент является, вероятно, первой мишенью для фосфатидилинозитол специфичной фосфолипазы С, которая активируется во многих клетках G-белками.

Последующий гидролиз молекулы в плазматической мембране приводит к быстрому распаду фосфатидилинозитола и кратковременному возрастанию продуктов распада. Например, во время активации тромбоцитов за 90 с деградирует половина общего пула фосфатидилинозитола. Продукты распада участвуют как вторичные мессенджеры во многих клеточных процессах. Исследование этой системы в деталях еще не закончено, но самая общая схема может быть представлена на рис. 68. Последовательность событий такова.

Начальными продуктами гидролиза ФИФ2 являются диацилглицерол и ИФ3. Диацилглицерол остается связан с мембраной, а ИФ3 высвобождается в цитоплазму. Обычно жирные кислоты фосфатидилинозитола представлены стеариновой кислотой в положении 1 и арахидоновой кислотой в положении 2.

ИФ3 служит вторичнымым посредником, и его основной функцией, по-видимому, является мобилизация Са2+, аккумулированного в эндоплазматическом ретикулуме. Возможно, этот компонент путем прямого связывания открывает Са2+-специфичные каналы в эндоплазматическом ретикулуме, что приводит к выходу ионов кальция из ретикулума в цитоплазму, где его уровень возрастает в несколько раз (от 0,1 мкМ до 5-10 мкМ).

Одним из ферментов, регулируемых Са2+, является фосфолипаза С, которая при низкой концентрации Са2+ использует в качестве[A60] субстрата преимущественно ФИФ2, но при более высокой концентрации Са2+, по крайней мере in vitro, использует нефосфорилированный фосфатидилинозитол.

Наиболее важным ферментом, активируемым Са2+, является протеинкиназа С. Этот фермент локализован преимущественно в цитозоле до момента появления там диацилглицерола и Са2+. В присутствии обоих агентов протеинкиназа С приобретает способность связываться с мембраной, выбирая для этого кластеры, обогащенные фосфатидилсерином. В этих условиях наблюдается активация протеинкиназы С, причем она оказывается в непосредственной близости к мембранным субстратам, которые она готова фосфорилировать.

Эффекты, сходные с действием диацилглицерола, оказывают протеинкиназу С и форболовые эфиры, в связи с чем ее часто рассматривают как внутриклеточный рецептор этих соединений.

В активированном состоянии протеинкиназа С эффективно фосфорилирует белки-мишени по серину и треонину.