1.4. Понятие о циторецепторах

Для завершения описания структуры биомембран следует остано- вится на характеристике циторецепторов.

Слаженная работа организма обеспечивается постоянным обменом различной информацией между клетками. Для передачи информации в эукариотической клетке имеются специальные молекулы, обеспечивающие передачу информации из вне в клетку и из клетки в клетку. Эти молекулы называется межклеточными сигнальными веществами. К ним относятся гормоны, нейромедиаторы и гистогормоны. Для восприятия определенных сигнальных веществ каждая клетка активирует набор рецепторов.

Межклеточные сигнальные вещества: нейромедиаторы, гормоны, факторы роста, цитокины воспринимают сигналы и передают их внутрь клетки, но будучи полярными молекулами, они не могут проникнуть вовнутрь клетки и оказывают свое действие через систему посредников и внешних рецепторов. Они, функционально являясь лигандами, специфически взаимодействуют с рецепторами и активируют их; в ответ на активацию рецептора в клетке синтезируются внутриклеточные медиаторы - вторичные посредники (вторичные мессенджеры), которые усиливают сигнал и передают его к специальным белкам в цитоплазме. В ответ на действие сигнала изменяется активность этих белков; те в свою очередь регулируют активность определенных ферментов обмена веществ, структурных белков или генов, что и является конечным эффектом, который должен был возникнуть в клетке на действие сигнала.

Рецепторы представляют собой белковые молекулы и в соответствии со своей локализацией делятся на: мембранные, цитоплазматические и ядерные.

Мембранные рецепторы образованы поверхностными перифери- ческими белками и гликокаликсом. Их роль заключается в том, чтобы обеспечить сигнальное действие на клетку веществ, которые не могут пройти через мембрану и действует через систему рецепторов и вторичных мессенджеров.

Мембранные рецепторы делятся на:

1 - каталитические рецепторы;

2 - рецепторы, связанные с ионными каналами;

3 - рецепторы, связанные с G –белками;

4 - рецепторы, связывающие молекулы внеклеточного матрикса с цитоскелетом.

Каталитические рецепторы. У этих рецепторов гликокаликс имеет разветвленные моно-, или олигосахаридные участки - «антенны», которые могут связываться с различными химическими веществами, распознавая их. Кроме нейромедиаторов, гормонов, факторов роста, цитокинов, ими могут быть генетически чужеродные вещества и др.

Рецепторные мембранные белки и углеводные участки гликокаликса связаны с цитоплазматическими ферментами. Рецепторные белки, являясь трансмембранными белками, состоят из рецепторного и каталитического участков. Активация рецепторов лигандами, приводит к изменению их конформации и, соответственно, к образованию вторичных посредников (мессенджеров), которые передают внешний сигнал в клетку, изменяя ее метаболизм, регулируя обмен веществ и процессы синтеза.

Рецепторы, связанные с ионными каналами. В мембранах всех клеток имеются ионные каналы, которые регулируют прохождение через мембрану специфических ионов. Ионные каналы образованы интегральными мембранными белками (рис.44), которые играют также роль рецепторов. Взаимодействие лигандов с определенными доменами этих белков приводит к открытию канала и проведению определенных ионов (Na⁺; Ca²⁺ ; K⁺ ; Cl^-) (рис.39); открытие канала может быть результатом изменения мембранного потенциала клетки и т.д (рис.45). Такие рецепторы могут изменять прони - цаемость мембран для ионов, что приводит к появления электрического импульса (рецепторы к нейромедиатором, сигнальным веществам, участвующим в передаче сигнала в нервных клетках, в ядро (рис.46).

Рис.44. Структура ионных каналов клеток млекопи - тающих : оба канала состоят из белков, включающих по 4 субъединицы; каждая субъе- диница пронизывает мем - рану 6 раз, т.е., имеет по 6 трансмембранных доменов (Из:Фаллер, Шилдс, 2004)

Рис.45. 4 типа ионных каналов: управляемые лигандом (А); управляемые фосфори- лированием(Б); управляемые электрически (В); управляемые механически в ответ на растяжение или давление на мембрану клетки и цитоскелет(Г) (Из: Фаллер, Шилдс, 2004)

Рис.46. Рецептор инсулина – тирозиновая протеинкиназа, участвующая в передаче сигналов в ядро: состоит из двух a- и двух β-субъединиц (Из: Северин,2007)

Рецепторы, связанные с G-белками. G-белки (внутриклеточные гуанозинтрифосфатазы - ГТФазы) являются уникальными посредниками при передаче сигналов от рецепторов к ферментам клеточной мембраны, обеспечивающих образование вторичных посредников гормонального сигнала, которые изменяют метаболизм клетки: усиливая или ослабляя его. К таким рецепторам относятся рецепторы инсулина, факторов роста и др.

Это крупное семейство тримерных белков, состоящих из трех субъединиц: α, β и γ, нековалентно связанных между собой (рис.47). Каждая субъединица участвует в переносе различных сигналов к внутриклеточным молекулам. Рецепторы, связанные с G-белками относятся к политопным белкам (см. мембранные белки, рис.27); N-концевой участок внеклеточного домена находится на наружной поверхности мембраны и взаимодействует с лигандами и физическими факторами (свет); трансмембранный домен семь раз прошивает мембрану; цитоплазматический домен содержит участки связывания с G-белками. Рецепторы этого семейства реагируют на различные лиганды (рис.48). Существует сотни форм G-белковых рецепторов и физиологических эффектов, вызванных ими (табл.9). Вторичными мессенджерами выступают циклический аденозинмонофосфат и молекулы кальция. 20 различных форм α-субъединиц G-белка, сгрупированных в 4 класса активируют или ингибируют целый ряд эффекторных молекул: аденилатциклазу, фосфолипазу С, фосфолипазу А₂, киназу, опосредуют закрытие Са⁺-каналов и др.

Рис.47. Положение G-белков в мембране: G-белки относятся

к группе «заякоренных» периферийных белков мем-

браны (Из:Северин,2007)

Рецепторы, связывающие молекулы внеклеточного матрикса с цитоскелетом. К таким рецепторам относятся интегрины, трансмембран- ные белки (рис.30), состоящие из 2 субъединиц: α и β. Каждая субъединица - это трансмембранный гликопротеин 1 типа. Семейство интегринов содержит 20 видов рецепторов, которые могут связываться с каким-либо одним веществом внеклеточного матрикса (фибронектином, ламинином и др.) или взаимодействовать с несколькими белками, обеспечивая передачу сигнала от внеклеточного матрикса к цитоскелету. Так, интегрин воспринимает сигналы от белка внеклеточного матрикса фибронектина и связывается при помощи ряда белков с цитоскелетом. При раздражении этого рецептора изменяется состояние цитоскелета и клетка приходит в движение, либо начинается эндо-, экзоцитоз и другие виды деятельности клетки, связанные с цитоскелетом.

Рис.48. Различные способы взаимодействия лигандов с рецепторами, сопря -

женными с G-белками: А – свет, Б – низкомолекулярные соединения, пеп –

тиды и хемокины, В – гормоны, Г – глутамат и ионы Са²⁺ , Д – белок тромбин

(Из: Фаллер, Шилдс, 2004)

Каждая клетка имеет десятки тысяч рецепторов, которые подразделяются на семейства и весьма специфичны. Например, число белков семейства обонятельных рецепторов исчисляется тысячами. Человек может различить до 10.000 пахучих молекул и, соответственно, имеет такое же количество рецепторов запаха.

При огромном разнообразии большинство мембранных рецепторов имеют сходные черты строения и свойства доменов. Они состоят из трёх доменов: внеклеточный или эктодомен, трансмембранный домен (моно- или политопный), цитоплазматический домен с ферментными центрами.

Таблица 9

Примеры G-белков и их физиологических эффектов

Внеклеточный домен содержит участок связывания с сигнальной молекулой – лигандом. Это самая большая часть белка, выступающего над наружным слоем мембраны содержит несколько олигосахаридных цепей (подобно гликофорину) и аминокислотную последовательность, богатую лейцином и пролином. Внеклеточный домен узнаёт различные внешние сигналы.

Трансмембранный домен в зависимости от вида рецептора делится на два типа: трансмембранный домен политопных и монотопных белков.

У политопных белков он пересекает мембрану семь раз; такие рецепторы называется серпантинными (рис.27). Политопные белки-рецепторы использует G-белки - белки, связывающие гуанозин-трифосфа- ты (ГТФ) в качестве начального активирующего субстрата.

У монотопных белков трансмембранный домен один, связи с G-белком нет; некоторые имеют собственные ферменты в цитоплазме, которые активируют его.

Цитоплазматический домен – участок белка, расположенный в цитоплазме и имеющий каталитический (активирующий) центр. В нём лиганд, через трансмембранной домен, вызывает конформационные перестройки с образованием новых реакционных центров для связи с внутриклеточными вторичными мессенджерами. У рецепторов, связанных с G-белками, именно цитоплазматический домен связан с этими белками. После связи рецептора с лигандом, сигнал передается через трансмембранный домен на цитоплазматический, изменяя его конфор- мацию, что в свою очередь, приводит к изменению цепей G-белка: α-цепь, связанная с ГТФ, отсоединяясь от β- и γ-цепей и цитоплазматического домена; активирует фермент аденилатциклазу, который синтезирует вторичный посредник (мессенджер) - циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Через рецепторы, связанные с G-белками передаются сигналы с большинства гормонов и нейромедиаторов. Дефекты этих рецепторов приводят к возникновению ряда болезней (табл.10).

Таблица 10

Примеры заболеваний человека, связанных с G-белками

Цитоплазматические и ядерные рецепторы предназначены для восприятия сигнальных веществ, которые в силу своей неполярности легко проникают в клетку (рис.49). К ним относятся стероидные гормоны, витамины Д₃, гормоны щитовидной железы. Эти сигнальные вещества регулируют развитие и дифференцировку клеток, а также метоболизм органа в целом, связываясь с ядерным рецептором либо напрямую, либо через цитоплазматический рецептор. Например, ядерные рецепторы состоят из 2 участков: участок связывания с сигнальным веществом - лигандом (гормоны, витамины и др.) и участок связи с молекулой ДНК ядер. Рецепторы стероидных гормонов находятся в цитоплазме в составе шаперонов, включающих белки теплового шока hsр 90. После связывания лиганда (гормона) с рецептором высвобождаются белки теплового шока, а лиганд-рецепторный комплекс транспортируется в ядро, где связывается с определенной последовательностью ДНК в промоторах генов, активируя его активность. Цитоплазматические рецепторы находятся также на мембранах других органелл, например, на мембранах митохондрий.

Рис.49. Передача сигнала на внутриклеточные рецепторы: гормон проходит через мембрану; взаимодействует с ядерным рецептором; комплекс гормон-рецептор проходит в ядро и взаимодействует с определенной последовательностью ДНК; обеспечивает связывание РНК-полимеразы с промотором; уменьшает или увеличивает скорость транскрипции

Таким образом, в ответ на поступление сигналов из вне в клетке активируется набор рецепторов. Клетка отвечает лишь на тот сигнал, для которого в ней имеется рецептор. Набор рецепторов может меняться в процессе роста и дифференцировки клетки. Если в клетке отсутствуют определенный рецептор, то она не может генерировать соответствующий ответ. Способность клетки выполнять или не выполнять ту или иную функцию зависит от того, имеется или нет у нее соответствующий рецептор. Активация или утрата рецептора – это запрограммированные процессы клеточной деятельности.