2. Мембранные Рецепторы. Структура и трансмембранная сигнализация. Особенности рецепторов: понятие агонистов и антагонистов.

А) ионотропные См.№1 (каналоформеры, рецептор-управляемые ионные каналы), Б) метаботропные Рецепторы.

Ионотропные - регулируют ионные токи и меняют мембранный потенциал.

Метаботропные - регулируют метаболические процессы внутри клетки, используя для передачи сигнала адаптерные белки и ферменты. подразделяют на три группы:

1) Рецепторы, сопряженные с гетеротримерными G-белками;

2) каталитические Рецепторы или Рецепторы-ферменты (рецепторные тирозиновые киназы; рецепторные гуанилатциклазы; рецепторные серин/треониновые киназы, рецепторные фосфатазы),

3) цитокиновые Рецепторы.

Мембранные Рецепторы - специализированными интегральными белками, осуществляют трансмембранную передачу информации от внешних сигналов (гормоны, нейротрансмиттеры, цитокины, факторы роста, молекулы матрикса и межклеточного узнавания) внутрь клетки к конечным мишеням. Связывание лигандов с внеклеточным доменами - набор химических реакций или структурных изменений.

Рецепторы, сопряженные с G-белками (GPCR) - семидоменными, 7 характерных альфа-спиралей, погруженных в мембрану. спирали разделены гидрофильными последовательностями, которые в третичной структуре находятся вне мембраны. G-белковые комплексы связываются с активированными рецепторами на внутренней стороне мембраны.

Лиганд-управляемые ионные каналы (LGICs) - из нескольких субъединиц, каждая из которых содержит трансмембранный домен. образуют бубликоподобную структуру (тор), внутри которой расположен канал. Связывание гормона вызывает изменение конформации субъединиц - открытию канала. Они быстро меняют мембранный потенциал и опосредуют наиболее быстрые реакции клеток. (зрительные, вкусовые и обонятельные).

Метаботропные Рецепторы регулируют внутри клетки метаболические превращения (потоки энергии). Они используют адаптерные белки и ферменты для эстафетной передачи сигнала и изменения активности ферментов-мишеней.

1 гормоны (низкомолекулярных соединений, многие из которых являются нейротрансмиттерами (ацетилхолин, глутамат, серотонин, гистамин)) могут действовать на ионотропные и метаботропные Рецепторы, вызывая клеточные ответы разных типов и разной временной шкалы.

Ацетилхолин - с ионотропными никотиновыми канальными рецепторами (nAChR) и с метаботропными мускариновыми GPCR (mAChR). GABA Рецепторы для ГАМК, пуринергические Рецепторы для ATФ/AДФ и серотониновые Рецепторы также имеют ионотропные (LGIC) и метаботропные (GPCR) варианты.

1 гормон может оказывать в клетке эффекты разной временной шкалы в результате расхождения сигнала на пострецепторном уровне. Рецепторы факторов роста и цитокинов вызывают как быстрые метаболические (активации цитоплазматических мишеней киназных каскадов), так и затянутые синтетические реакции (транскрипционных факторов, действующих в ядре).

Вещества, которые при взаимодействии со специфическими рецепторами вызывают в них изменения, приводящие к биологическому эффекту - агонистами. может приводить к активации или угнетению функции клетки. вызывает max эффект - полный агонист. частичные агонисты не вызывают маx эффекта.

Вещества, связывающиеся с рецепторами, но не вызывающие их стимуляции - антагонистами. Их внутренняя активность равна нулю. Их фармакологические эффекты обусловлены антагонизмом с эндогенными лигандами (медиаторами, гормонами), а также с экзогенными веществами-агонистами. Если они оккупируют Рецепторы, с которыми взаимодействуют агонисты - конкурентных антагонистах; если другие участки макромолекулы, не относящиеся к специфическому рецептору, но взаимосвязанные с ним - неконкурентных антагонистах.

агонист-антагонист.

рецепторами, сопряженными с G-белками. Через них действуют гормоны гипоталамуса и гипофиза, многие белковые и пептидные гормоны, простагландины и катехоламины.

Рецептор при участии G-белка сопрягается с эффекторными системами, которые производят вторичные посредники. Гормон сообщают рецептору сродство к G-белку. Как только Рецептор связывается с G-белком, G-белок утрачивает сродство к гуанозиндифосфату, связанному с его активным центром. ГДФ диссоциирует от белка, а ГТФ связывается, т.к. концентрация ГТФ в клетке более 10^-4 М, а сродство - 10^-7М. Как только ГТФ связывается с G-белком, белок изменяет свою структуру, Рецептор утрачивает к нему сродство. у G-белка появляется сродство к эффектору, продуцирующему вторичные посредники (аденилатциклазе, ионным каналам, фосфолипазе С).

один гормон-рецепторный комплекс может активировать около 10 молекул G-белка.

Когда с G-белка связывается ГТФ, то  диссоциирует от . -субъединица связ-ся и акт-ет эффекторной системой. Аденилатциклаза - синтезирующим цАМФ из АТФ. -субъединица также становится ферментом – от ГТФ отщепляется фосфат - ГДФ. -субъединица восстанавливает гетеротример.

Происходит бифуркация, разделение сигнала, поступающего от одного и того же рецептора. Одна молекула гормоно-рецепторного комплекса может перевести десятки молекул канала или фермента в активное состояние с участием -субъединицы и такое же количество других каналов и ферментов с участием -субъединицы.

20 разных по структуре -субъединиц. _s активируют аденилатциклазу и связываются с потенциалзависимыми кальциевыми каналами. Трансдуцин, который участвует в трансдукции зрительных каналов, тоже принадлежит к семейству _s-субъединиц, он активирует фосфодиэстеразу циклического ГМФ.

_i1, _i2, _i3 и ₀-субъединицы регулируют калиевые каналы, а аденилатциклазу ингибируют.

_q сопрягаться с фосфолипазой С. ₁₂ и ₁₃ регулируют другие каскады сигнализации.

Часто в одной и той же клетке функционирует несколько типов рецепторов для одного и того же гормона. Типов рецепторов в четыре-пять раз больше, чем гормонов. Для адреналина это типичная ситуация. Есть альфа-1-адренегический рецептор, стимулирующий фосфолипазу С, альфа-2 рецептор, ингибирующий аденилатциклазу, и бэта-рецептор, который активирует аденилатциклазу (рис. 7). Адреналин может связываться с каждым из этих рецепторов. При гипертиреозе повышена продукция тироксина. Так как тироксин стимулирует образование -рецепторов и подавляет производство 2-рецепторов, то при гипертиреозе адреналин будет сильно повышать образование цАМФ. А если наблюдается гипофункция щитовидной железы, то экспрессия 2-рецепторов возрастает, а -рецепторов снижается, поэтому адреналин может вызвать противоположный эффект – снижение уровня цАМФ в клетке. Кроме того, адреналин через 1-Рецепторы может стимулировать кальций-зависимый каскад, связанный с фосфоинозитидным обменом. Киназа С путем фосфорилирования рецепторов, сопряженных с аденилатциклазой и G-белками, может подавлять активность этого каскада. В свою очередь, циклический АМФ может усиливать активацию гормонами фосфоинозитидного обмена.

Ситуация усложняется еще тем, что при функционировании фосфоинозитидного обмена образуется диацилглицерин, который не только активирует протеинкиназу С, но и во многих типах клеток является основным источником арахидоновой кислоты. Эта жирная кислота служит субстратом липоксигеназного и циклооксигеназного путей синтеза лейкотриенов, простагландинов и тромбоксанов. Образующиеся простаноиды выходят из клетки, а затем связываются с рецепторами той же или соседних клеток. Таким образом, секреция определенного гормона может вызывать множественность сигналов за счет раздвоения этих сигналов на уровне G-белков, появления нескольких различающихся по структуре и роли в клетке вторичных посредников и образования межклеточных регуляторов. Под действием гормонов резко изменяются многие физиологические и метаболические процессы в клетке.

каталитические Рецепторы или Рецепторы-ферменты - это трансмембранные белки плазматической мембраны, при взаимодействии с лигандом приобретают ферментативную активность или становятся частью энзиматического комплекса. Многие Рецепторы факторов роста являются тирозиновыми киназами.

Факторы роста - полипептиды, либо секретируются клеткой, либо выделяются при гибнет. Факторы роста могут циркулировать в крови, но чаще это факторы местного действия. При связывании с рецептором фактор роста вызывает повышение сродства рецепторных молекул друг к другу - олигомеризация рецепторов. одна молекула фосфорилирует другую по тирозиновым остаткам. Белки, участвующие в передаче сигналов от рецептора фактора роста, имеют домены, узнающие фосфотирозин, благодаря чему эти белки связываются с рецепторной молекулой. Домены, обеспечивающие связывание белков с рецептором, носят название SH₂ домены - «домен второго порядка Src киназы». домен участвует в связывании белков с фосфотирозинами. SH₂-домен-содержащие белки распознают 10-15 аминокислот слева и справа от фосфотирозина, поэтому их связывание специфично. Связавшись с рецептором, эти белки изменяют свою активность, могут активировать друг друга, связывать новые белки. Так образуются сложные олигомерные комплексы белков. Факторы роста передают сигнал внутрь ядра с помощью МАР-киназ (митогенактивируемых протеинкиназ), которые стимулируют транскрипционные факторы, что запускает деление клеток. Вся регуляция происходит за счет тирозинового фосфорилирования без участия вторичных посредников. В начале сигнала происходит тирозиновое фософорилирование белков, а заканчивается сигнал серин/треониновым фосфорилированием белков ядра.

SH₃-домены узнают 3 остатка пролина, локализованные рядом в белке. Такой белок одним доменом свяжется с рецептором фактора роста, а другим – с белком, у которого есть рядом три остатка пролина. Регуляторный сигнал, идущий от рецепторов факторов роста, вызывает формирование сложного олигомерного комплекса, в составе которого проходит фосфорилирование–дефосфорилирование белков, обмен гуаниловых нуклеотидов, расщепление фосфолипидов, присоединение белков цитоскелета и т.п.

4 группы рецепторов-ферментов:

рецепторные тирозиновые киназы - способными специфически фосфорилировать субстраты по остатками тирозина. Лигандами - инсулин и некоторые факторы роста (NGF, EGF, PDGF). Большинство состоит из 1 полипептидной цепи. в структуре - лиганд-распознающий домен, трансмембранный домен, тирозин-киназный цитоплазматический домен и участки связывания с другими сигнальными молекулами, связывание с которыми регулируется фосфорилированием. Активированные тирозинкинаные Рецепторы - димеры полипептидных цепей после связывания сигнальных молекул с их внеклеточным лиганд-распознающим доменом. Результатом димеризации является взаимное фосфорилирование субъединиц активного димера. Фосфорилирование делает возможным взаимодействие внутриклеточного домена рецептора с молекулами сигнального каскада, передающего сигнал в клетку, при этом молекула рецептора может как специфически фосфорилировать свои субстратные белки, так и выступать в роли адаптерного белка определяющего сборку сложных сигнальных комплексов. Особенностью тирозинкиназных рецепторов является их способность фосфорилировать собственный пептид.

рецепторные серин/треониновые киназы. из 2 субъединиц - гликопротеинов I и II типа, имеющих один трансмембранный домен. лиганд связывается сначала с гликопротеином II типа, а затем гликопротеином I типа, затем взаимное фосфорилирование по остаткам серина и треонина (аутофосфорилирование). Активированная серин/треониновая рецепторная киназа фосфорилирует остатки серина или треонина специфических внутриклеточных белков-мишеней. (Рецепторы суперсемейства трансформирующего фактора роста β (TGFβ), регулирующего рост и дифференцировку клеток, TGFβ, Рецепторы ингибинов, активинов и нескольких костных морфогенетических белков).

рецепторов-ферментов с некиназной активностью - рецепторные гуанилатциклазы. катализируют образование цГМФ из ГТФ. Рецептор предсердного натрийуретического фактора - трансмембранным белком с одним трансмембранным доменом и собственной гуанилатциклазной активностью. Гуанилатциклазной активностью обладает внутриклеточный домен рецептора, содержащий два гомологичных каталитических домена. Связывание с лигандом - изменениям конформации, димеризации и активации, при которой образуется цГМФ.

рецепторные тирозиновая фосфатазы отщепляют фосфатную группу от остатков тирозина в составе белков. Сигналы, передаваемые через Рецепторы, ассоциированные с тирозиновыми фосфатазами, регулируют эффекты сигналов, реализуемых посредством тирозиновых киназ, подавляя их сигналы. цитоплазматический домен, обладающий тирозинфосфатазной активностью. (дифференцировочный антиген лейкоцитов CD45, регулирующая пролиферацию и дифференцировку). сигнальные эффекты реализует через активацию Src-киназ и подавление JАК-киназ.

Цитокиновые Рецепторы (Рецепторы интерферонов (α, β, γ), интерлейкинов (IL-2, IL-3, IL-4, IL-5, IL-6) и эритропоэтина). фосфорилирование белков по остаткам тирозина. не обладают ферментативной активностью и привлекают для передачи сигнала цитозольные нерецепторные протеинкиназы (тирозиновые Src- или JAK-киназы), которые связываются с активированными цитокиновыми рецепторами и после этого фосфорилируют другие сигнальные молекулы. Эти мембранные Рецепторы могут находиться как на клеточной мембране, так и на внутренних мембранах клеточных органелл. После связывания сигнальной молекулы - димеризация рецепторов, взаимное фосфорилирование ассоциированных с рецепторами нерецепторных тирозиновых протеинкиназ, а затем и самих рецепторов, что делает возможным специфическое связывание и активацию следующих молекул сигнального каскада. На фосфорилированные белки садятся белки с SH₂-домен - образуется олигомерный белковый комплекс. может приводить к пролиферации клеток-мишеней, вызывать транскрипцию некоторых генов. стимулируется производство специфических антител. Одним из механизмов такого действия цитокиновых рецепторов является фосфорилирование STAT-белков по тирозинам. Одна молекула STAT-белка, имея SH₂-домен, связывается с фосфотирозином другого, образуя димер, который затем проникает в ядро. Фосфорилирует STAT-белки и вызывает избирательную транскрипцию генов киназа JAK, которая, в свою очередь, стимулируется рецептором цитокина.

трансмембранного домена - передачу сигнала внутрь клетки. цитоплазматический домен - взаимодействие с внутриклеточными мишенями и передачу сигнала.

Отдельные мембранные Рецепторы не имеют полноценного трансмембранного и цитоплазматического доменов - передают сигнал с помощью латеральных взаимодействи (закрепляются на внешней стороне клеточной мембраны с помощью специальных якорей - гликозилфосфатидилинозитольный якорь. При связывании лиганда, взаимодействуют с другими трансмембранными белками, передавая сигнал, котрые доставляют полученный сигнал внутрь) - транссигнализацией.