Полезные материалы за все 6 курсов / Учебники, методички, pdf / Биохимия

Рис.10. Рецепторы, локализованные в мембране:

1 - содержащие субъединицу, связывающую сигнальную молекулу и ионный канал, например рецептор ацетилхолина на постсинаптической мембране; 2 - проявляющие каталитическую активность после присоединения сигнальной молекулы, например рецептор инсулина; 3, 4 - передающие сигнал на фермент аденилатциклазу (АЦ) или фосфолипазу С (ФЛС) при участии мембранных G- белков, например разные типы рецепторов адреналина, ацетилхолина и других сигнальных молекул

Роль вторичных мессенджеров выполняют молекулы и ионы:

-цАМФ (циклический аденозин-3',5'-монофосфат);

-цГМФ (циклический гуанозин-3',5'-монофосфат);

-ИФ3 (инозитол-1,4,5-трифосфат);

-ДАГ (диацилглицерол);

-Са2+.

Существуют гормоны (стероидные и тиреоидные), которые, проходя липидный бислой, проникают в клетку и взаимодействуют с внутриклеточными рецепторами. Физиологически важным различием между мембранными и внутриклеточными рецепторами является скорость ответа на поступающий сигнал. В первом случае эффект будет быстрым и непродолжительным, во втором - медленным, но длительным.

Рецепторы, сопряженные с G-белками

Взаимодействие гормонов с рецепторами, сопряженными с G-белками, приводит к активации инозитолфосфатной системы трансдукции сигнала или изменению активности аденилатциклазной регуляторной системы.

Аденилатциклазная система

При участии аденилатциклазной системы реализуются эффекты сотни различных по своей природе сигнальных молекул — гормонов, нейромедиаторов, эйкозаноидов.

Функционирование системы трансмембранной передачи сигналов обеспечивают белки: Rs- рецептор сигнальной молекулы, которая активирует аденилатциклазу, и Ri-

рецептор сигнальной молекулы, которая ингибирует аденилатциклазу; Gs- стимулирующий и Gi-ингибирующий аденилатциклазу белки; ферменты аденилатциклаза (АЦ) и протеинкиназа А (ПКА):

Рис.11. Функционирование аденилатциклазной системы

Последовательность событий передачи сигнала первичных мессенджеров с помощью аденилатциклазной системы

Рецептор имеет центры связывания первичного мессенджера на наружной поверхности мембраны и G-белка (α,βγ-ГДФ) на внутренней поверхности мембраны. Взаимодействие активатора аденилатциклазной системы, например гормона с рецептором (Rs), приводит к изменению конформации рецептора. Увеличивается сродство рецептора к Gs-белку. Присоединение комплекса гормонрецептор к Gs-ГДФ снижает сродство αs-субъединицы Gs-белка к ГДФ и увеличивает сродство к ГТФ. В активном центре αs-субъединицы ГДФ замещается на ГТФ. Это вызывает изменение конформации субъединицы αs, и снижение ее сродства к субъединицам βγ. Отделившаяся субъединица αs-ГТФ латерально перемещается в липидном слое мембраны к ферменту аденилатциклазе.

Взаимодействие αs-ГТФ с регуляторным центром аденилатциклазы изменяет конформацию фермента, приводит к его активации и увеличению скорости образования вторичного мессенджера - циклического аденозин- 3',5'-монофосфата (цАМФ) из АТФ. В клетке повышается концентрация цАМФ. Молекулы цАМФ могут обратимо соединяться с регуляторными субъединицами протеинкиназы А (ПКА), которая состоит из двух регуляторных (R) и двух каталитических (С) субъединиц - (R2С2). Комплекс R2С2 ферментативной активностью не обладает. Присоединение цАМФ к регуляторным субъединицам вызывает изменение их конформации и потерю комплементарности к С-субъединицам. Каталитические субъединицы приобретают ферментативную активность.

Активная протеинкиназа А с помощью АТФ фосфорилирует специфические белки по остаткам серина и треонина. Фосфорилирование белков и ферментов повышает или понижает их активность, поэтому изменяется скорость метаболических процессов, в которых они участвуют.

Активация сигнальной молекулой рецептора R стимулирует функционирование Gі-белка, которое протекает по тем же правилам, что и для Gs-белка. Но при взаимодействии субъединицы αi-ГТФ с аденилатциклазой активность фермента снижается.

Инактивация аденилатциклазы и протеинкиназы А

αs-Субъединица в комплексе с ГТФ при взаимодействии с аденилатциклазой начинает проявлять ферментативную (ГТФ-фосфатазную) активность, она гидролизует ГТФ. Образующаяся молекула ГДФ остается в активном центре αsсубъединицы, изменяет ее конформацию и уменьшает сродство к АЦ. Комплекс АЦ и αs-ГДФ диссоциирует, αs-ГДФ включается в Gs-белок. Отделение αs-ГДФ от аденилатциклазы инактивирует фермент и синтез цАМФ прекращается.

Фосфодиэстераза - «заякоренный» фермент цитоплазматической мембраны гидролизует образовавшиеся ранее молекулы цАМФ до АМФ. Снижение концентрации цАМФ в клетке вызывает расщепление комплекса цАМФ4R2 и повышает сродство R- и С-субъединиц, образуется неактивная форма ПКА.

Фосфорилированные ферменты и белки под действием ФП- фосфатазы переходят в дефосфорилированную форму, изменяется их конформация, активность и скорость процессов, в которых участвуют эти

ферменты. В результате система приходит в исходное состояние и готова вновь активироваться при взаимодействии гормона с рецептором. Таким образом, обеспечивается соответствие содержания гормона в крови и интенсивности ответа клеток-мишеней.

Участие аденилатциклазной системы в регуляции экспрессии генов

Многие белковые гормоны: глюкагон, вазопрессин, паратгормон и др., передающие свой сигнал посредством аденилатциклазной системы, могут не только вызвать изменение скорости реакций путем фосфорилирования уже имеющихся в клетке ферментов, но и увеличивать или уменьшать их количество, регулируя экспрессию генов (рис.12). Активная протеинкиназа А может проходить в ядро и фосфорилировать фактор транскрипции (СRЕВ). Присоединение фосфорного

Рис.12. Аденилатциклазный путь, приводящий к экспрессии специфических генов

остатка повышает сродство фактора транскрипции (СRЕВ-(Р) к специфической последовательности регуляторной зоны ДНК-СRЕ (цАМФ-response element) и стимулирует экспрессию генов определенных белков.

Синтезированные белки могут быть ферментами, увеличение количества которых повышает скорость реакций метаболических процессов, или мембранными переносчиками, обеспечивающими поступление или выход из клетки определенных ионов, воды или других веществ.

Инозитолфосфатная система

Работу системы обеспечивают белки: кальмодулин, фермент протеинкиназа С, Са2+-кальмодулин-зависимые протеинкиназы, регулируемые Са2+-каналы мембраны эндоплазматического ретикулума, Са2+-АТФазы клеточной и митохондриальной мембран.

Рис.13 Последовательность событий передачи сигнала первичных мессенджеров с помощью инозитолфосфатной системы

Связывание активатора инозитолфосфатной системы с рецептором (R) приводит к изменению его конформации. Повышается сродство рецептора к Gфлс-белку. Присоединение комплекса первичный мессенджер-рецептор к Gфлс-ГДФ снижает сродство αфлс-субъединицы к ГДФ и увеличивает сродство к ГТФ. В активном центре αфлс-субъединицы ГДФ замещается на ГТФ. Это вызывает изменение конформации субъединицы αфлс и снижение сродства к субъединицам βγ, происходит диссоциация Gфлс-белка. Отделившаяся субъединица αфлс-ГТФ латерально перемещается по мембране к ферменту фосфолипазе С.

Взаимодействие αфлс-ГТФ с центром связывания фосфолипазы С изменяет конформацию и активность фермента, возрастает скорость гидролиза фосфолипида клеточной мембраны - фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата (ФИФ2) (рис.14).

Рис.14 Гидролиз фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата (ФИФ2)

Входе реакции образуются два продукта - вторичные вестники гормонального сигнала (вторичные мессенджеры): диацилглицерол, который остается в мембране

иучаствует в активации фермента протеинкиназы С, и инозитол-1,4,5-трифосфат

(ИФ3), который, будучи гидрофильным соединением, уходит в цитозоль. Таким

образом, сигнал, принятый рецептором клетки, раздваивается. ИФ3 связывается специфическими центрами Са2+- канала мембраны эндоплазматического ретикулума (ЭР), что приводит к изменению конформации белка и открытию Са2+-канала. Так как концентрация кальция в ЭР примерно на 3-4 порядка выше, чем в цитозоле, после открытия канала Са2+ по градиенту концентрации поступает в цитозоль. В отсутствие ИФ3 в цитозоле канал закрыт.

Вцитозоле всех клеток содержится небольшой белок кальмодулин, имеющий четыре центра связывания Са2+. При повышении концентрации кальция он активно

присоединяется к кальмодулину, образуя комплекс 4Са2+-кальмодулин. Этот комплекс взаимодействует с Са2+-кальмодулинзависимыми протеинкиназами, другими ферментами и повышает их активность. Активированная Са2+- кальмодулин-зависимая протеинкиназа фосфорилирует определенные белки и ферменты, в результате чего изменяется их активность и скорость метаболических процессов, в которых они участвуют.

Повышение концентрации Са2+ в цитозоле клетки увеличивает скорость взаимодействия Са2+ с неактивным цитозольным ферментом протеинкиназой С (ПКС). Связывание ПКС с ионами кальция стимулирует перемещение белка к плазматической мембране и позволяет ферменту вступать во взаимодействие с отрицательно заряженными «головками» молекул фосфатидилсерина (ФС) мембраны. Диацилглицерол, занимая специфические центры в протеинкиназе С, в еще большей степени увеличивает ее сродство к ионам кальция. На внутренней стороне мембраны образуется активная форма ПКС (ПКС• Са2+ •ФС •ДАГ), которая фосфорилирует специфические ферменты.

Включение ИФ-системы непродолжительно, и после ответа клетки на стимул происходит инактивация фосфолипазы С, протеинкиназы С и Са2+-кальмодулин- зависимых ферментов. αфлс-Субъединица в комплексе с ГТФ и фосфолипазой С проявляет ферментативную (ГТФ-фосфатазную) активность, она гидролизует ГТФ. Связанная с ГДФ αфлс-субъединица теряет сродство к фосфолипазе С и возвращается в исходное неактивное состояние, т.е. включается в комплекс αβγГДФ Gфлс-белок).

Отделение αфлс-ГДФ от фосфолипазы С инактивирует фермент и гидролиз ФИФ2 прекращается. Повышение концентрации Са2+ в цитозоле активирует работу Са2+-АТФаз эндоплазматического ретикулума, цитоплазматической мембраны, которые «выкачивают» Са2+ из цитозоля клетки. В этом процессе принимают участие также Na+/Са2+- и Н+/Са2+-переносчики, функционирующие по принципу активного антипорта. Снижение концентрации Са2+ приводит к диссоциации и инактивации Са2+-кальмодулинзависимых ферментов, а также потере сродства протеинкиназы С к липидам мембраны и снижению ее активности.

ИФ3 и ДАГ, образовавшиеся в результате активации системы, могут снова взаимодействовать друг с другом и превращаться в фосфатидилинозитол- 4,5- бисфосфат.

Фосфорилированные ферменты и белки под действием фосфопротеинфосфатазы переходят в дефосфорилированную форму, изменяется их конформация и активность.

Каталитические рецепторы

Каталитические рецепторы являются ферментами. Активаторами этих ферментов могут быть гормоны, ростовые факторы, цитокины. В активной форме - рецепторыферменты фосфорилируют специфические белки по -ОН-группам тирозина, поэтому их называют тирозиновыми протеинкиназами (рис.15). При участии специальных механизмов сигнал, полученный каталитическим рецептором, может быть передан в ядро, где он стимулирует или подавляет экспрессию определенных генов.

Примером каталитического рецептора может служить рецептор инсулина, в состав которого входят две α- и две β-субъединицы. α-Субъединицы расположены на наружной поверхности клеточной мембраны, β-субъединицы пронизывают мембранный бислой.

Рис.15. Активация рецептора инсулина

Центр связывания инсулина образован N-концевыми доменами α-субъединиц. Каталитический центр рецептора находится на внутриклеточных доменах β- субъединиц. Цитозольная часть рецептора имеет несколько остатков тирозина, которые могут фосфорилироваться и дефосфорилироваться.

Присоединение инсулина в центр связывания, образованный α-субъединицами, вызывает кооперативные конформационные изменения рецептора. β-Субъединицы проявляют тирозинкиназную активность и катализируют

трансаутофосфорилирование (первая β-субъединица фосфорилирует вторую β- субъединицу, и наоборот) по нескольким остаткам тирозина. Фосфорилирование приводит к изменению заряда, конформации и субстратной специфичности фермента (Тир-ПК). Тирозиновая-ПК фосфорилирует определенные клеточные белки, которые получили название субстратов рецептора инсулина. В свою очередь эти белки участвуют в активации каскада реакций фосфорилирования:

•фосфопротеинфосфатазы (ФПФ), которая дефосфорилирует специфические фосфопротеины;

•фосфодиэстеразы, которая превращает цАМФ в АМФ и цГМФ в ГМФ;

•ГЛЮТ 4 - переносчиков глюкозы в инсулинзависимых тканях, поэтому повышается поступление глюкозы в клетки мышц и жировой ткани;

•тирозиновой протеинфосфатазы, которая дефосфорилирует β-субъединицы рецептора инсулина;

•регуляторных белков ядра, факторов транскрипции, повышающих или снижающих экспрессию генов определенных ферментов.

Рецепторы с гуанилатциклазной активностью

также относятся к каталитическим рецепторам. Гуанилатциклаза катализирует образование из ГТФ цГМФ, который является одним из важных мессенджеров (посредников) внутриклеточной передачи сигнала (рис.16).