Клеточная поверхность: рецепторы, рециклирование мембран и передача сигналов
Введение
Все клетки должны иметь механизмы, позволяющие им контролировать состояние окружающей среды и отвечать на происходящие в ней изменения. В плазматических мембранах бактериальных, растительных и животных клеток содержится множество специализированных рецепторных молекул, которые, взаимодействуя с внеклеточными компонентами, вызывают специфические клеточные ответы. Одни рецепторы связывают питательные вещества или метаболиты, другие - гормоны или нейромедиаторы, третьи участвуют в межклеточном узнавании и адгезии или связывании клеток с нерастворимыми компонентами внеклеточной среды. Работа большинства рецепторных систем включает следующие стадии: 1) связывание лиганда или агониста с рецептором, расположенным на клеточной поверхности; 2) передачу внутрь клетки информации о связывании вещества с рецептором; 3) клеточный ответ, который в свою очередь делится ни первичный и вторичный. Эта бурно развивающаяся область исследований благодаря применению молекулярно-биологических подходов имеет блестящие перспективы. Становится ясно, что многочисленные, на первый взгляд не связанные друг с другом рецепторные системы имеют в своей основе много общего. Идентифицировано несколько семейств рецепторных белков с гомологичными первичными структурами; каждый белок связывается с характерным для него лигандом, что вызывает специфический клеточный ответ. Такие «суперсемейства» состоят из структурно родственных, но функционально различающихся белков. Это предполагает наличие неких модульных конструкций не только среди рецепторных белков в пределах данного семейства, но также среди других компонентов рецепторных систем, так что варианты одной и той же основной структуры рецепторного белка могут удовлетворять разнообразные потребности различных типов клеток, взаимодействующих с разными эффекторами. В частности, совершенно очевидна ключевая роль
Таблица 1. Некоторые суперсемейства структурно родственных рецепторов у эукариот
GTP_связывающих белков и продуктов распада фосфатидилинозитола в самых разных системах.
Мы рассмотрим также тесно связанный с предыдущим вопрос о динамических свойствах самой клеточной поверхности, в частности поверхности животной клетки. Рассмотрим динамическое равновесие между плазматической мембраной животной клетки и пулом внутриклеточных мембранных везикул, называемых эндосомами или рецептосомами, которые отшнуровываются от плазматической мембраны и способны опять с ней сливаться. Все это является частью сложного механизма внутриклеточного мембранного транспорта, протекающего также с участием других клеточных мембранных органелл, например комплекса Гольджи и лизосом. При поступлении соответствующих сигналов специфические белки плазматической мембраны, инкапсулированные во внутреннем мембранном пуле, быстро высвобождаются и оказываются на поверхности мембраны в активной форме. Некоторые макромолекулы, например липопротеииы низкой плотности, поглощаются клетками путем захвата отшнуровывающихся от плазматической мембраны везикул в процессе, называемом рецепторзависимым эидоцитозом.
1. Поверхность животной клетки
Прежде чем переходить к обсуждению структур различных мембраносвязанных рецепторов и механизмов индукции клеточного ответа, полезно рассмотреть строение поверхности животной клетки, поскольку большинство исследований в этой области выполнено на клетках животных. Плазматическую мембрану отличают от других клеточных мембран две особенности.
Относительно высокое содержание холестерола. Оценить долю холестерола клетки, находящуюся в плазматической мембране, довольно трудно, но ясно, что она весьма существенна. Высоким содержанием холестерола отличаются и другие мембранные структуры эндоцитозного пути. Еще один липид, содержащийся в значительных количествах в этих мембранах, - сфингомиелин.
Относительно высокое содержание гликопроизводных. Гликопроизводиые содержатся не только в плазматической мембране. Однако они присутствуют в ней в большом количестве. Все углеводные группы гликопротеинов плазматической мембраны находятся на наружной поверхности клетки, и зная места их прикрепления, можно определить аминокислотные остатки мембранных белков, обращенные наружу. Большинство белков плазматической мембраны гликозилированы. Полезно также помнить, что некоторые белки плазматической мембраны прикрепляются к ней с помощью фосфоинозитола и могут высвобождаться под действием фосфолипазы С, а другие белки присоединяются через ковалентно связанные жирные кислоты.
Физико-химические свойства холестерола в составе модельных мембран широко исследовались, однако функциональная роль холестерола в плазматической мембране до сих пор неизвестна. Далека от выяснения и биологическая функция углеводных частей гликолипидов и гликопротеинов.
В качестве примера рассмотрим поверхность эритроцита. Два преобладающих в этой мембране белка - белок полосы 3 и гликофории А - являются достаточно хорошо охарактеризованными гликопротеинами. Около 75°7» всех моносахаридов клеточной поверхности входит в состав гликопротеинов, а остальные 25% содержатся в гликолипидах, которые состоят из простых глобозидов и длинноцепочечных полилактозаминцерамидов. Эти гликолипиды составляют лишь несколько молярных процентов от общего количества липидов. Основные углеводсодержащие компоненты мембраны эритроцитов схематически представлены на рис. 9.1; указана максимальная протяженность Углеводных цепей. Рис. 9.2 иллюстрирует поверхность эритроцита в истинном масштабе, дающем представление о расстоянии между различными гликопроизводными. На самом деле углеводные цепи не выступают над клеточной поверхностью так, как это изображено на рис. 9.1 и 9.2, однако эти структуры, вероятно, играют важную роль при взаимодействии клеток с их окружением.
Углеводсодержащие соединения придают клеточной поверхности ярко выраженный гидрофильный характер. При этом отрицательный заряд в значительной степени определяется остатками сиалоных кислот, которые составляют семейство производных нейраминовой кислоты. В некоторых случаях сиаловые кислоты маскируют специфические сайты узнавания на молекулах клеточной поверхности. Существенно, что гликопроизводные определяют свойства участка, выступающего над клеточной поверхностью на ~ 100 А. Кроме того, эти специфические компоненты обладают уникальными биологическими функциями.
Так, было показано, что углеводные компоненты гликолипидов и гликопротеинов изменяются при развитии и дифференцировке клетки и могут служить антигенными маркерами, ассоциированными с опухолями. Ганглиозиды, представляющие собой содержащие сиаловую кислоту гликосфинголипиды, служат местом связывания холерного и столбнячного токсинов. Что еще более интересно - ганглиозиды непосредственно участвуют в регуляции процессов клеточного роста и дифференцировки, а также, по-видимому, воздействуют на фосфорилирование рецептора фактора роста эпидермиса - возможно, путем прямого взаимодействия. При этом роль углеводного компонента гликопротеинов, и особенно рецепторных белков, не совсем ясна. Гликозилирование может играть модулирующую или регуляторную роль при функционировании некоторых рецепторов, необходимых для межклеточной адгезии.
2. Рецепторы, определяющие клеточную адгезию
Один из основных классов рецепторов клеточной поверхности участвует в клеточной адгезии. Этот класс включает рецепторы, которые необходимы для узнавания клетками друг друга и для их адгезии, а также рецепторы, ответственные за связывание клеток с нерастворимыми компонентами внеклеточного матрикса, такими, как фибронектин или коллаген у животных. За связывание ответственны взаимодействия, как между белками, так и между белками и сахарами. Способность клеток к специфическому взаимному узнаванию и адгезии крайне важна для эмбрионального развития; выявлены некоторые компоненты клеточной поверхности, необходимые для этого. У взрослого животного адгезивные взаимодействия «клетка - клетка» и «клетка - матрикс» продолжают оставаться существенными для поддержания стабильности тканей. Те специфические системы, которые удалось исследовать, включают межклеточное узнавание при иммунном ответе, при миграции лимфоцитов к местам их назначения и при индукции адгезивных свойств у тромбоцитов при свертывании крови. Большую роль в исследовании этих систем сыграло использование методов молекулярной биологии, выявившее структурные взаимосвязи между рецепторами. Рассмотрим некоторые из рецепторов адгезии.
2.1 Cвязывание бактерий с гликолипидами
Множество бактерий образуют колонии на твердых субстратах, а в некоторых случаях прилипают к специфическим поверхностям. Из бактериальных структур, участвующих в этом процессе, лучше всего охарактеризованы ворсинки. Это длинные нитевидные отростки, не имеющие аналогов среди высших организмов. Примером могут служить ворсинки, обнаруженные у патогенных штаммов Е. coli, которые вызывают инфекционные заболевания мочевых путей человека. Ворсинка содержит -1000 белковых молекул, образующих спираль, на конце которой находится рецепторный белок, специфически связывающийся с дигалактозидсодержащими гликолипидами. Эти липиды присутствуют на поверхности эпителиальных клеток, выстилающих мочевые пути, где и размножаются бактерии. Заметим, что необходимым условием выполнения адгезином его функций является локализация этого белка на значительном расстоянии от клеточной поверхности, обычно покрытой липополисахаридами. Адгезии функционирует как лектин, т. е. сахаросвязывающий белок.
2.2 «Хоминг» лимфоцитов: стволовым кроветворным клеткам тоже нужны гликопроизводные
Лимфоциты непрерывно циркулируют между кровью и лимфоидными органами. Именно в этих органах концентрируется антиген из всех межклеточных пространств, подвергается процессингу и становится доступным для антигенспецифичных лимфоцитов, вызывая иммунный ответ. Лимфоциты мигрируют между кровотоком и лимфоидными органами по лимфатическим сосудам, и из всех клеток крови только рециркулирующие Т- и В-лимфоциты прилипают к внутренним поверхностям стенок этих сосудов и затем мигрируют к лимфоидным органам. Такая миграция называется «хомингом», и для этого необходимы специфические рецепторы на клеточной поверхности. Хоминг-рецептор - это белок с мол. массой -90 кДа, который ковалентно присоединен к убиквитину. Убиквитин представляет собой низкомолекулярный полипептид, ковалентно связанный с многочисленными цитоплазматическими белками и участвующий во внутриклеточной деградации белков. Роль убиквитина, присоединенного к виецитоплазматическому домену этого рецептора клеточной поверхности, неизвестна. Вероятно, однако, что подобным образом модифицируются и другие белки клеточной поверхности, поэтому такой механизм может иметь большое значение.
Хоминг-рецептор, по-видимому, является также лектином, который узнает углеводную часть гликосоединений на поверхности эндотелиальных клеток. В этом процессе участвует маннозо_6_фосфат.
Стволовые кроветворные клетки тоже способны к хомингу. Эти клетки, дифференцирующиеся в макрофаги и в клетки других типов, обладают сродством к клеткам стромы костного мозга и селезенки. Именно здесь происходит пролиферация и дифференцировка этих клеток. Хотя соответствующий рецептор и не был выделен, можно предположить, что он узнает галактозные и маннозные остатки гликопроизводных в тканях-мишенях. Поэтому взаимодействия белок / сахар важны для адгезии.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
