2.4. Сигналы, опосредуемые кальцием

Повышение концентрации Са2+ в цитозоле в качестве сигнала

!Кальций (Са2+) высвобождается из внутриклеточных полостей и устремляется в клетку по ионным каналам клеточной мембраны. Эти каналы могут быть потенциалзависимыми или лигандуправляемыми.

Высвобождение Са2+. Чтобы повысить концентрацию Са2+ в цитозоле, рецепторы стимулируют фосфолипазу С (ФЛCβ или ФЛCγ). Фосфо-

липаза отщепляет от определенных фосфолипидов мембраны (фосфатидилинозитолфосфатов) инозитолтрифосфат (IP3) (рис. 2.4). IP3 присоединяется к каналам внутри эндоплазматического ретикулума, которые способствуют высвобождению Са2+ из эндоплазматического ретикулума в цитоплазму. Опорожнение внутриклеточных накопителей Са2+ приводит к активации кальциевых каналов в клеточной мембране, или CRAC (calcium release activated calcium channel), через которые в цитозоль проникает еще большее количество Са2+. CRAC состоит из белка канала Orai и активирующего белка Stim.

Диацилглицерол и протеинкиназа С. При отщеплении IP3 из фосфолипидов мембраны образуется диацилглицерол. Вместе с Са2+ диацилглицерол активирует протеинкиназу С (ПКС), которая регулирует транспортные белки, расположенные

вклеточной мембране. Таким образом, ПКС стимулирует обмен Na+/Н+ в NНЕ1 (разд. 3.1) и тем самым снижает концентрацию Н+ в цитозоле. ПКС регулирует дальнейшее разветвление цитоскелета, а кроме того, активируя факторы транскрипции, контролирует синтез белков (рис. 2.4). Регулируемые с помощью ПКС факторы транскрипции

впервую очередь контролируют ранние гены, осу-

ществляющие быстрое приспособление клетки

кизменяющимся условиям окружающей среды.

Лигандуправляемые и потенциалзависимые

кальциевые каналы. Внутриклеточная концентрация Са2+ может первично повышаться за счет притока кальция по ионным каналам, благодаря чему некоторые типы нейромедиаторов могут соединяться с каналами, пропускающими Са2+, и открывать их (разд. 4.5). В результате этого так называемые возбудимые клетки располагают потенциалзависимыми проницаемыми кальциевыми каналами, активность которых регулируется посредством разницы потенциала через клеточную мембрану. При нормальной поляризации клеточной мембраны (наибольшее значение составляет –60 мВ) каналы закрыты, при деполяризации они активируются (разд. 4.2). По каналам передача сигнала меж-

ду клетками воздействует на потенциал клеточной мембраны.

Действие Са2+

!Са2+ влияет на активность и экспрессию эффекторных молекул с помощью кальмодулина/кальцинейрина или путем непосредственного соединения.

Кальмодулин и кальцинейрин. Вместе с ПКС Са2+ соединяется с внутриклеточным рецептором кальция кальмодулином (рис. 2.4). В результате соединения Са2+ и кальмодулина происходит конформационное изменение кальмодулина, которое может стимулировать фосфатазу кальцинейрина. Важнейшим компонентом сигнального пути кальцинейрина является фактор транскрипции НФАТ (нуклеарный фактор активируемых Т-лимфоцитов). Кальцинейрин дефосфорилирует НФАТ, который в дефосфорилированном состоянии проникает в ядро из цитозоля и стимулирует там транскрипцию генов.

Кальцийзависимые функции. Са2+ регулирует множество функций клетки, например сокращение мышц, определяет состояние цитоскелета, осуществляет регуляцию ферментов, принимающих участие в обмене веществ (например, распад гликогена), слияние везикул с мембраной клетки и тем самым выброс нейромедиаторов и гормонов, экспрессию генов, важных для пролиферации клетки, а также активацию ферментов, способных вызвать генетически запрограммированную гибель клетки (апоптоз). Некоторые примеры кальцийзависимой регуляции представлены в табл. 2.2.

Специфика Са2+-сигналов. Из большинства кальцийзависимых функций клетки лишь незначительная часть реализуется в клетке, ведь Са2+ не может стимулировать одновременно и деление клетки и ее смерть. Специфика действия, оказываемого Са2+, определяется исходным состоянием клетки, т. е. одновременно и воздействующими на клетку другими сигналами, и снабжением эффекторными молекулами.

Исходя из этого временна•я последовательность Са2+-сигналов приобретает большое значение. С одной стороны, кальциевые осцилляции, при которых концентрация внутриклеточного Са2+ краткосрочно и нестабильно повышается (например, каждую минуту на несколько секунд), вызывают такие процессы, как экспрессия генов, необходимая для пролиферации клетки. С другой стороны, в клеточной мембране происходит разрушение липидных структур, за которым следует перемещение фосфатидилсерина, а также накопление Са2+ в митохондриях с последующей митохондриальной деполяризацией. Это приводит к продолжительному повышению концентрации Са2+ и апоптозу клетки (разд. 2.5).

Коротко

Кальцийпроводимые сигналы

Активность фосфолипазы индуцирует образование IP3 и ДАГ. IP3 осуществляет выход Са2+ из внутриклеточных полостей. Опорожнение накопителей активирует кальциевые каналы клеточной мембраны (CRAC). Другие кальциевые каналы в мембране могут активироваться с помощью лигандов или посредством процесса деполяризации.

Повышение концентрации кальция цитозоля выступает в роли сигнала. При этом выполняется целый ряд кальцийзависимых функций клетки:

•В сочетании с другими молекулами Са2+ прямо или косвенно регулирует ПКС, кальмодулин, кальцинейрин и факторы транскрипции.

•Са2+ среди прочих регулирует такие процессы, как сокращение мышц, выброс медиаторов или гормонов, обмен веществ, пролиферацию клетки

и апоптоз.

Кальцийзависимые функции определяет временна•я последовательность сигналов Са2+.

2.5. Регуляция пролиферации и гибели клетки

Передача сигнала от рецепторов, отвечающих за факторы роста

!Фермент тирозинкиназа проводит сигналы, посту- пающие от факторов роста.

Активация тирозинкиназ. Соединение лиганда с рецептором, отвечающим за фактор роста, на-

пример эпидермальным фактором роста (epidermal growth factor, EGF), с EGF-рецептором или антигеном с рецептором Т-клетки, приводит к первичной активации тирозинкиназ (рис. 2.5). В случае с EGF-ре- цептором это вызывает фосфорилирование самого рецептора (аутофосфорилирование), в случае с рецептором Т-клетки — фосфорилирование белков, взаимодействующих с рецептором. Оба принципа касаются почти всех рецепторов, отвечающих за факторы транскрипции. Инсулин тоже действует под влиянием тирозинкиназ. Фосфорилирование тирозина прекращается при участии тирозинфосфатазы.

Образование полипротеиновых соединений при участии адаптерных белков. Фосфорилированный в рецепторе остаток тирозина или связующие белки служат местом соединения цитозольных белков, способных взаимодействовать только с активированным комплексом рецепторов. К таким белкам относятся в первую очередь адаптерные белки, например Grb-2-белок (рис. 2.5).

Распространение сигнала. Связующие адаптерные белки присоединяют к рецепторному комплексу другие молекулы, благодаря чему усиливается сигнал, возникший при слиянии с лигандом. Путем селективного присоединения и группировки определенных «сигнальных модулей» из некоторых последовательностей сигналов можно получить целый ряд внутриклеточных функций. Если, например, соответствующий адаптерный белок присоединяет сигнальные молекулы, активирующие сигнальный путь А + С + Е, то возникает сигнал, отличный от того, который образуется, если присоединяются сигнальные молекулы, стимулирующие сигнальные пути А + В + D.

Малые G-белки

!Малые G-белки регулируют пролиферацию клетки, ее дифференцировку и гибель путем активации киназных каскадов и воздействия на цитоскелет.

Активация. Малые G-белки, имеющие молекулярную массу, равную 20–30 кДа, будучи гетеротримерными G-белками, в неактивном состоянии соединяются с ГДФ. При обмене ГДФ на ГТФ малые G-белки активируются (рис. 2.5). Активация малых G-белков происходит за счет факторов обмена гуаниловых нуклеотидов. Они отделяют ГДФ от малого G-белка, благодаря чему осуществляется присоединение ГДФ, в значительно большей концентрации содержащегося в клетке, чем ГТФ. К наиболее известным факторам обмена от-

носится SOS-белок. Инактивация малых G-бел- ков происходит в результате гидролиза связанного ГТФ (рис. 2.5).

Белок Ras. Самый известный малый G-белок — белок Ras (рис. 2.5). Он активируется с помощью SOS-белка и среди прочего регулирует пролиферацию клетки. С помощью Raf-киназ Ras приводит в активное состояние МАР-киназы (митоген-ак- тивируемые протеинкиназы), которые регулируют синтез новых протеинов или контролируют цитоскелет (рис. 2.5).

Фосфатидилинозитол-3-киназа. Далее Ras активирует фосфатидилинозитол-3-киназу (РI3-К). РI3-К вырабатывает в мембране «заякоренный» фосфатидилинозитол-(3,4,5)-трифосфат, к которому могут присоединяться протеинкиназа В и фосфатидилинозитолзависимая киназа PDK (рис. 2.5.).

!При апоптозе активируется внутриклеточная сиг- нальная программа, приводящая к смерти клетки.

Значение апоптоза. В нашем организме благодаря пролиферации постоянно образуются новые клетки, а в процессе апоптоза они удаляются. Посредством пролиферации клетки и апоптоза происходит регуляция количества клеток и приспособление их к функциональным требованиям. Кроме того, количество поврежденных, инфицированных внутриклеточными возбудителями или неконтролируемо размножающихся клеток может уменьшаться в результате апоптоза. Апоптозом называют самоубийство клетки, происходящее в соответствии с определенной программой.

Признаки апоптоза. При апоптозе происходят типичные изменения клетки, в частности сжатие ее, фрагментация ДНК, конденсация ядерного хроматина, фрагментация ядра и блокада частей клет-

Рис. 2.6. Апоптозные сигнальные каскады. Запуск апоптоза может произойти в результате повреждения клетки или митохондрий, а также посредством рецепторов (например, рецептора CD95). При участии белка Вах митохондрии высвобождают цитохром С (кружок), который вместе с адаптерным белком АРАF-1 активирует каспазу 9 (casp 9). Затем активируется каспаза 3 (casp 3), в клеточной мембране накапливается фосфатидилсерин, открываются каналы клеточной мембраны, происходит сморщивание клетки. В конечном счете активация эндонуклеаз приводит к распаду ядерной ДНК. Апоптоз также может наступить изза избыточного поступления Са2+ (по катионным каналам) или потери клеткой Са2+ вследствие нарушения работы Na+/Са2+-насоса