6. Передача сигналов в животных клетках
Животные клетки реагируют на самые разные вещества, содержащиеся во внешней среде. Первым шагом при этом всегда является связывание лиганда со специфическим рецептором на наружной поверхности плазматической мембраны. Связывание с лигандом инициирует каскад специфических для данных клетки и рецептора событий, которые весьма интенсивно и плодотворно изучаются. Быстрое накопление новых данных в этой области вскоре потребует привлечения новых подходов для их систематизации. Однако наиболее общие проблемы здесь уже вполне ясны, даже при том, что многие детали малоизучены или неизвестны. Мы ознакомимся с этими центральными вопросами и теми связанными с мембранами биохимическими явлениями, которые уже хорошо охарактеризованы.
В табл. 1 перечислены рецепторы животных клеток, которые участвуют в передаче сигнала; многие из них были клонированы и была определена их первичная структура. Таблица составлена таким образом, чтобы подчеркнуть их структурное сходство. Большинство рецепторов, опосредующих передачу сигнала, связывают либо митогенные агенты, либо нейромедиаторы. К митогенным агентам относятся такие вещества, как ФРЭ, пептидные гормоны и регуляторные пептиды. Эти соединения регулируют рост клеток при различных условиях, в частности при эмбриогенезе, созревании клеток или их пролиферации, которая является частью иммунного ответа. К нейромедиаторам относятся адреналин, норадреналин, ацетилхолин, глицин и множество других малых молекул, участвующих в клеточном ответе.
Было бы полезно сказать еще несколько слов о классификации рецепторов, особенно рецепторов нейромедиаторов. В основе названий и классификаций этих рецепторов лежит их способность отвечать на различные агонисты и антагонисты, а также их физиологические функции и локализация. Однако тот факт, что имеются рецепторы, отвечающие на один и тот же агонист, означает, что классификация, основанная на свойствах и локализации, не может использоваться для разграничения рецепторных белков. Например, адренергические рецепторы, специфически связывающие катехоламиновые агонисты, такие, как норадреналин и адреналин, были сначала подразделены на типы а и 13 и далее на подтипы а, аг, 0\ и ft - Были выделены соответствующие рецепторные белки, правда, не все они строго вписывались в рамки классификации по фармакологическим признакам. Аналогичным образом по фармакологическим признакам были выделены два класса мускариновых холинергических рецепторов и идентифицированы по крайней мере четыре клонированных гена. Они отличались от никотинового ацетилхолинового рецептора по специфическому ответу на лекарственные препараты. Существуют также многочисленные классы рецепторов для гистамнна, дофамина, опиатов и других агонистов. Можно ожидать, что в будущем благодаря применению биохимических методов и методов молекулярного клонирования удастся идентифицировать разные рецепторные белки и установить механизмы клеточного ответа. Это позволит по-новому подойти к классификации рецепторов, основанной на их фармакологических свойствах.
6.1 Первичный ответ и семейства рецепторов
Лиганд, связываясь с рецептором, должен индуцировать в нем конформационный переход, приводящий к функциональным изменениям в других частях молекулы. Природа такого перехода абсолютно неизвестна. Установлено лишь, что по крайней мере в IgE_рецепторе с высоким сродством связывание лиганда индуцирует агрегацию рецептора в плоскости мембраны, однако нет никаких указаний на то, что это характерно для всех передающих сигнал рецепторов. Хотя структурные детали гормонов или нейромедиаторов остаются неизвестными, их важные функциональные особенности сейчас более или менее ясны. При связывании агониста происходят следующие три события.
Связывание агониста индуцирует открывание канала, образуемого рецептором. Примерами могут служить никотиновый ацетил-холииовый рецептор, рецептор 7_амнномасляной кислоты и глициновый рецептор. Все это рецепторы нейромедиаторов, которые структурно объединены в малое суперсемейство. На основании данных о первичной структуре этих рецепторов / ионных каналов для каждого полипептида была построена модель с четырьмя трансмембранными сегментами, однако экспериментальные исследования топологии nAChR еще не закончены.
При связывании лиганда активируется тирозиновая протеин-киназа, представляющая собой цитоплазматический домен рецептора. Обычно сам рецептор и является мишенью, но данные о том, какие именно белки фосфорилируются и как они влияют на клетку, практически отсутствуют. Этот механизм используют рецепторы митогенных пептидных гормонов и факторов роста, причем многие из этих рецепторов структурно родственны между собой. Каждый из этих рецепторных полипептидов имеет по одному трансмембранному сегменту.
3. Рецептор образует комплекс с одной из групп мембраносвязанных GTP_связывающих белков, называемых G_белками. При связывании лиганда с рецептором в комплексе peuenTop/G_белок происходит конформационное изменение, в результате чего облегчается обмен связанного GDP и GTP на G_белке.
Последовательность происходящих событий изображена на рис. 9.15. G_белок активируется на короткое время, будучи связанным с GTP, и в этом состоянии может отделиться от рецептора, причем одна или больше субъединиц G_белка могут связаться с другими мембранными белками, обозначенными на рис. 9.15 словом «мишень», оказывая на них определенное воздействие. К этим мишеням относятся ионные каналы, аденилатциклаза, cGMP/фосфодиэстераза и фосфолипаза С.
Принадлежат также /З-адренергические рецепторы, мускариновые ацетилхолиновые рецепторы и опсины. Каждый из этих рецепторов имеет семь трансмембранных сегментов. На рис. 4.1 показана предполагаемая структура родопсина - наиболее полно охарактеризованного представителя этой группы.
6.2 G_белки
Гуаниннуклеотидсвязывающие регуляторные белки, или G_белки, ответственны за передачу сигналов множества гормонов или нейромедиаторов к разнообразным мишеням клетки. Соответствующие примеры приведены в табл. 9.3. Четыре G_белка были очищены до гомогенного состояния и биохимически охарактеризованы: d, Gs, Gi и G0. Оказалось, что каждый из них имеет уникальные мишени или эффекторные белки. Gt активирует cGMP_специфичную фосфодиэстеразу в наружных сегментах палочек сетчатки; Gs и Gi соответственно стимулируют и ингибируют аденилатциклазу и присутствуют во всех клетках; G0 представлен в большом количестве в клетках мозга и, по-видимому, ингибирует электрочувствительный Са2 +-канал в нейронах. Кроме того, почти несомненно имеются и другие, пока не выделенные G_клетки. G_белок Gp, вероятно, использует в качестве мишени фосфатидилинозитолспецифичную фосфолипазу С, которая инициирует быстрый распад фосфатидилинозитола в плазматической мембране и образование нескольких вторых посредников. Существует также G_белок, обозначаемый Gp, выделенный из мембран плаценты человека, однако его функция неизвестна. Другой G_белок, GK, по-видимому, открывает К+-специфичные каналы в сердечной мышце и других клетках; G_белки участвуют также в регуляции экзоцитоза. В некоторых случаях какой-то один G_белок внутри клетки может отвечать на связывание лиганда с одним из нескольких разных рецепторов. Такая ситуация скорее всего имеет место, например, для белка Gk из клеток ганглия Aplysia. Кроме того, G_белки могут иметь больше одной мишени. В качестве примера можно привести белок Gt, который активирует как cGMP_фосфоднэстеразу, так и фосфолипазу А2 в наружных сегментах палочек сетчатки быка. По-видимому, в этих процессах активации участвуют различные субъединицы Gt.
Все четыре выделенных белка являются а-гетеротримерами. Биохимический анализ и анализ последовательности кДНК указывают на значительное различие между субъединицами, на существование по меньшей мере двух разных /З-субъединиц, а также на различия между 7_субъединицами. а-Субъединицы связывают GDP и обладают ОТРазной активностью при отсоединении от /37_субъединич-ной пары. а-Субъединица также содержит сайт, по которому может происходить ADP_рибозилирование бактериальными экзотоксинами. Gi, G0 и Gt модифицируются коклюшным токсином, a Gs и Gt - холерным токсином. Эта ковалентная модификация блокирует фосфорилирование G_белка и служит одним из тестов на участие G_белков в качестве интермедиатов в клеточных ответах. Заметим, что модификации холерным и коклюшным токсинами оказывают существенно разные эффекты. Модификация холерным токсином приводит к непрерывной активации Gs в присутствии АТР, а коклюшный разъединяет Gi, G0, Gt и рецептор, необходимый для их активации.
G_белки могут стимулироваться в отсутствие гормона при добавлении в цитозоль негидролизуемого аналога GTP - GTP7S, который связывается а-субъединицей. Это служит вторым тестом на участие G_белков в физиологическом ответе. Стимулировать G_белок может и добавление фторида; по-видимому, при этом образуется фторалюминатный комплекс со следовыми количествами алюминия. Этот ион, A14, связывается с комплексом G_белок/ GDP и активирует его, по-видимому, так же, как аналог 7_фосфата GTP.
Все G_белки прочно связаны с плазматической мембраной, за исключением трансдуцина, который in vitro может легко отсоединяться от мембраны. По крайней мере в двух случаях - для Gi и Go - было показано, что для прочного прикрепления а-субъединиц к мембране необходимо присутствие 07_пары. Ни одна из субъединиц не является трансмембранным белком. Однако по меньшей мере в некоторых случаях а-субъединица ацилирована и может присоединяться к мембране с помощью ковалентно связанной жирной кислоты. Присоединение к рецептору гормона или нейромедиатора ускоряет быстрый обмен GDP, связанного с а-субъединицей, с GTP. G_белок отсоединяется от рецептора, и в конечном счете а-субъединица отсоединяется от /37_пары. G_белок или отсоединившиеся а-либо /37_субъединицы диффундируют в плоскости мембраны или через цитоплазму к мишени. Способы связывания субъединиц G_белка с мембраной и с их партнерами-мишенями или рецептором точно не известны. Однако установлено, что после отсоединения а- и 07_субъединицы могут обладать разными функциями; так, в случае трансдуцина-а был выделен из родопсинсвязан-ной системы, где он присутствует в относительном избытке. Установлено, что G_белки повсеместно используются для передачи информации о том, что рецептор занят, на специфическую внутриклеточную систему амплификации сигнала. По-видимому, в будущем будут обнаружены другие G_белки и достигнуты новые успехи в определении их специфичности, особенно в случае, когда одна клетка содержит разные G_белки.
6.3 Обновление фосфатидилинозитола и вторые посредники
Наиболее широкораспространенными мишенями G_белков являются аденилатциклаза и фосфолипаза С, ответственная за гидролиз фосфатидилинозитола. Модуляция адени-латциклазы приводит к изменению внутриклеточной концентрации сАМР, который, как известно, служит вторым посредником, влияя на множество внутриклеточных процессов. Одним нз последствий увеличения содержания сАМР является, например, стимуляция сАМР-зависимой протеинкиназы, которая в свою очередь фосфорилирует специфические белковые субстраты. Клетки содержат также два типа Са2 + - зависимых протеннки-наз, активируемых соответственно Са2 +-кальмодулином и Са2 + вместе с диацилглицеролом и фосфатидилсерином. Активность обеих этих кии аз регулируется вторыми посредниками, образующимися при деградации фосфатидилинозитола, которая во многих клетках инициируется путем G_белокзависимой активации специфической фосфолипазы С. Установление механизма обновления фосфатидилинозитола и физиологической роли продуктов его деградации явилось главным достижением в выяснении роли гормонов и нейромедиаторов в осуществлении клетками их функций.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
