7.2.1.3. Фосфатидилинозитольная система вторичных мессенджеров

Принципы работы вторичных мессенджеров в данном подразделе показаны на примере фосфатидилинозитольной системы (рис. 7.3). Фосфатидилинозитол — один из липидов плазмалеммы, поэтому фосфатидилинозитольная си­стема работает с рецепторами, расположенными на внешней мембране.

При связывании с гормоном белок-рецептор меняет конформацию и пере­дает сигнал на G-белок. G-белки названы так за способность связывать и гидролизовать ГТФ. Конформация белкового комплекса рецептора влияет на спо­собность G-белка связывать и удерживать ГТФ.

Пока молекула ГТФ остается связанной с G-белком, он успевает активи­зировать до 10 молекул фосфолипазы С, входящей в состав мембранных бел­ков. После этого происходит гидролиз ГТФ, ГДФ и фосфат освобождаются, G-белок переходит в неактивное состояние, пока не захватит новую молекулу ГТФ. Работа G-белка регистрируется в первые 1 — 5 с после обработки рецеп­тора гормоном (рис. 7.3, Б).

Активизация фосфолипазы С приводит к гидролизу фосфатидилинозитолдифосфата. При этом в мембране остается гидрофобный остаток диацилглицерина, а в цитоплазму поступает инозитол-1,4,5-трифосфат (ИФ₃). Именно это событие и дало название всему каскаду вторичных мессенджеров. Уменьшение доли фосфатидилинозитолтрифосфата и поступление инозитолтрифосфата в цитоплазму наблюдается уже через 10 —15 с после получения сигнала, дости­гая максимума к 60 с.

Инозитолтрифосфат может взаимодействовать с Са²⁺-каналами на мембра­не. Через 2 мин после обработки гормоном в цитоплазму начинает поступать кальций. Этот процесс имеет характер осцилляции (так называемые «каль­циевые волны»). Концентрация кальция в клетке изменяется приблизительно с 1 до 100 ммоль/л. Дальнейшее повышение концентрации кальция может выз­вать автолиз клетки: активизируются Са²⁺-зависимые фосфолипазы (напри­мер, фосфолипаза А), что приведет к разрушению мембраны. Чтобы избежать автолиза, клетка модулирует уровень кальция через концентрацию инозитол­трифосфата. Так, при превышении уровня ИФ₃ может происходить дополни­тельное фосфорилирование, а инозитолтетрафосфат (ИФ₄) уже не взаимо­действует с

Са²⁺-каналами. При этом инозитолтетрафосфат используется как депо, из которого можно «изъять» новую порцию активного инозитолтрифос­фата. После достижения максимума инозитолтрифосфат поэтапно гидролизуется до инозитола. Далее инозитол включается в состав фосфатидилинозитола, и только в составе мембраны фосфорилируется до фосфатидилинозитолди-фосфата и используется еще раз. Фосфатидилинозитолдифосфат является важ­ным модулятором при взаимодействии мембран с цитоскелетом. Так, повыше­ние его доли в составе мембран провоцирует сборку актиновых филаментов, а дефосфорилирование приводит к разборке цитоскелета.

Инозитол в растительных клетках может полностью фосфорилироваться, превращаясь в инозитолгексафосфат (фитин). Обычно это соединение рассмат­ривают как депо фосфора в семенах и запасных тканях. У дрожжей инозитол­гексафосфат необходим для транспорта РНК из ядра в цитоплазму. Возможно, похожие явления будут обнаружены и у растений.

Кроме фосфатидилинозитольной системы у растений обнаружены еще не­сколько сигнальных систем. Например, аденилатциклазная система похожа по действию на аналогичную систему животной клетки. В липоксигеназной систе­ме в регуляцию сигнального каскада вовлечена также фосфолипаза А, активи­руемая кальцием. После ее активизации в мембране появляются свободные жирные кислоты. Кроме того, кальций активизирует липоксигеназу, которая включает кислород в состав полиненасыщенных жирных кислот с образовани­ем пятичленных углеродных колец. Одним из результатов работы липоксигеназы является синтез жасминовой кислоты, блокирующей Са²⁺-каналы, что пре­дотвращает избыточное поступление кальция.

Рис. 7.3. Фосфатидилинозитольная система вторичных мессенджеров:

А — последовательность активизации вторичных мессенджеров в пространстве; Б — последовательность событий на шкале времени. И — инозитол; ИФ — инозитолфосфат; ИФ₂ — инозитолдифосфат; ИФ₃ — инозитолтрифосфат; ИФ₄ — инозитолтетрафосфат; ИФ₅ — инозитолпентафосфат; ИФ₆ — инозитолгексафосфат (фитин); ДАГ — диацилглицерин

Есть сведения о работе в расти­тельной клетке NO-системы, системы фосфатидной кислоты, НАДН-оксидазной системы, пероксидазной системы, МАР-киназного каскада (Mitogene activated proteinkinase).

Следующими по времени активируются функциональные системы клетки, происходит активация/инактивация генов, изменяется мембранный потенци­ал. Так, активация фосфатидилинозитольной системы ауксином вызывает выб­рос протонов из цитоплазмы за счет активизации Н⁺-помпы. Через 5 — 7 мин после воздействия гормона наблюдается закисление матрикса клеточной стен­ки. Ответ этого компартмента на закисление зависит от состава клеточной стен­ки, в частности от присутствия кислых гидролаз, инвертазы, доли пектиновых веществ и т.д. Увеличение размеров клетки начинается через 10 —12 мин после обработки ауксином.

При закислении клеточной стенки из пектина освобождается кальций, свя­занный с кислотными группировками. Таким образом, растительная клетка использует клеточную стенку как депо Са²⁺. Уровень Са²⁺ в цитоплазме зави­сит от концентрации инозитолтрифосфата и жасминовой кислоты, состоя­ния матрикса клеточной стенки, работы Са²⁺-каналов и Са²⁺-АТФаз. Эти фак­торы действуют не одновременно, причем приток кальция в клетку провоци­рует процессы, приводящие к снижению его концентрации и наоборот. В ре­зультате поток кальция оказывается неравномерным во времени, возникают волны поступления/удаления кальция. Динамика волн кальция существенно различается для разных внешних сигналов (см. подразд. 6.3.4.3). До 70 % посту­пившего в клетку кальция связывается с цитоскелетом, активизируя его работу.

Важным вторичным мессенджером в передаче сигнала являются небольшие белки — калъмодулины. Кальмодулин имеет 4 центра, связывающихся с Са²⁺, и его конформация различается в зависимости от числа занятых кальцием цент­ров. От активности кальмодулинов, в частности, зависит работа Са²⁺-АТФаз: полностью заполненный кальцием кальмодулин усиливает выкачивание каль­ция из клетки. Гидрофобный диацилглицерин также является вторичным мес­сенджером. Он взаимодействует с протеинкиназой С, повышая ее фосфорилирующую активность. Далее запускается каскад фосфорилирования белков. Вто­ричными мессенджерами в приведенном примере выступают G-белки, фосфолипазы С и А, инозитолтрифосфат, жасминовая кислота, кальций, диацилглицерин, протеинкиназа С. При добавлении в клетку какого-либо из этих мессенджеров даже без первичного сигнала можно наблюдать физиологиче­ский ответ (обычно такой ответ бывает неполным).