64

или фермента), с которым взаимодействует лиганд. Связывание может приводить к активации, блокаде или изменению активности белка. Активный центр – более узкое понятие, применяемое к ферментам. Это часть фермента, где не только связывается субстрат, но и происходит сама химическая реакция (катализ). Таким образом, активный центр всегда является сайтом связывания, но не каждый сайт связывания является активным центром. Сайты связывания делятся на несколько типов.

Основные сайты связывания,

•Ортостерический сайт – основной участок связывания эндогенного лиганда(медиатора, гормона).

•Аллостерический сайт – дополнительный участок, изменяющий активность ортосайта.

•Активный центр – участок фермента, где связывается субстрат и протекает реакция.

Специфические варианты сайтов связывания:

•Регуляторный сайт – разновидность аллостерического; связывается модулятор (например, цАМФ в протеинкиназе А).

•Орфан-сайт – орто-сайт, для которого неизвестен эндогенный лиганд.

•Гидрофобный (липофильный) участок связывания («липофильный карман») –

область для липофильных молекул (например, стероидных гормонов в ядерных рецепторах).

Общепринятая классификация рецепторов в настоящее время отсутствует. По локализации их подразделяют на:

•мембранные (расположены на цитоплазматической мембране) – рецепторы, сопряженные с:

а)ионнымиканалами б) киназами

в) G-белком (G-protein-coupled receptors – GPCR)

•внутриклеточные – ядерные рецепторы.

Гидрофильные ЛС связываются с рецепторами, расположенными на поверхности клеток, липофильные – с рецепторами, имеющими внутриклеточную локализацию.

По механизму функционирования выделяют 4 типа рецепторов:

I – рецепторы, сопряженные с ионными каналами – ионотропные.

II – рецепторы, сопряженные с G-белком и вторичными месенджерами – метаболотропные. III – фермент-связанные (каталитические, каинатные) рецепторы.

IV – внутриядерные рецепторы.

I тип. Рецепторы, сопряженные с ионными каналами

Изменения потока ионов через плазматическую мембрану, достигаемые через ионные каналы, являются критическими регуляторными событиями как в возбудимых, так и в невозбудимых клетках. Эти изменения накладываются на электрохимические градиенты, в частности, на

те,которыележатвосновеэлектрическогопотенциалаклеточнойповерхности,которыеустанавливаются переносчиками ионов Na+, K+, Ca2+ и Cl . Например, Na +/K+-АТФаза расходует кле-

точный АТФ для перекачки Na+ из клетки и K+ в клетку. Электрохимические градиенты, устанавливаемые таким образом, используются возбудимыми тканями, такими как нервные и мышечные, через ионные каналы для генерации и передачи электрических импульсов, невозбудимымиклеткамидлязапускабиохимическихисекреторныхпроцессов,ивсеми клеткамидляподдержки различных вторичных процессов симпорта и антипорта.

Ионные каналы следует подразделить на следующие подтипы: 1) потенциал-зависимые,

65

2) лиганд-зависимые (рецепторо-управляемые), 3) механочувствительные.

Потенциал-зависимые ионные каналы

Потенциал-зависимые ионные каналы чувствительны к изменениям электрохимического потенциаланамембране,активируясьпридеполяризациимембраны.Ониявляютсячрезвычайно важными мишенями для ЛС; значительное число из них расположено ниже рецепторов, взаимодействующих с эндокринными и паракринными факторами, например, нейротрансмиттерами; и они обеспечивают контекст для понимания всех других типов каналов. Более того, мутации в потенциалзависимых ионных каналах могут приводить к заболеваниям (называемым каналопатиями), включаяразличныеаритмии, судорожныерасстройства, другиеневрологические заболевания.

Потенциалзависимые Na+-каналы

Потенциалзависимые Na+-каналы отвечают за распространение в нервных и мышечных клетках мощных потенциалов действия, которые деполяризуют мембрану от потенциала покоя около –70 мВ, в зависимости от клетки, до потенциала +20 мВ в течение нескольких миллисекунд. Активация этих каналов, приводящая в движение потенциал действия, обычно происходит в ответ на локальную деполяризацию, достигаемую лигандзависимыми катионными каналами в нейронах и скелетных мышцах иактивированными Ca2+-каналами L-типавсиноатриальномузле сердца; распространение потенциала действия достигается посредством последовательной активации самих Na+-каналов (см. рисунок из Гудмана).

Потенциалзависимые Na+-каналы в нейронах, которые воспринимают боль (ноцицепция), являются мишенями для местных анестетиков, таких как лидокаин и тетракаин, которые бло-

кируют пору, подавляя деполяризацию и, таким образом, блокируя передачу, связанную с ощущением боли. Они также являются мишенями для некоторых противоэпилептических и антиаритмических средств.

Потенциал-зависимые Ca2+-каналы

Потенциал-зависимые Ca2+-каналы архитектурно похожи на Na+-каналы. Ca2+-каналы могутбытьосновнымикомпонентамипотенциаладействия,как,например,впейсмекерныхклетках сердца,ночаще всегоотвечают затрансляцию,посредством притокаCa2+,потенциаловдействия во внутриклеточные реакции.

Существует три основных типа Ca2+-каналов.

Ca2+-каналы L-типа экспрессируются в сердечных, гладкомышечных и скелетных мышечных клетках, а также в клетках эндокринных тканей, где они участвуют в сопряжении возбуждения и сокращения и секреции. Токи, проводимые Ca2+-каналами L-типа, могут требовать сильнойдеполяризации,иониявляютсядлительными(отсюда«L»какидентификатортипа).Эти каналы блокируются дигидропиридинами, такими как нифедипин, а также дилтиаземом и верапамилом, препаратами, широко используемыми для лечения артериальной гипертензии, стенокардии и некоторых видов аритмий. Ca2+-каналы P/Q-, N- и R-типа экспрессируются в основном в нейронах и участвуют в высвобождении нейромедиаторов. Для их активации также требуется сильная деполяризация. Ca2+-каналы T-типа экспрессируются в нейронах, а также в сердечных и гладкомышечных клетках. Токи, генерируемые потоком ионов через эти каналы, активируются слабой деполяризацией и являются транзиторными. Этосуксимид и вальпроат явля-

ются противоэпилептическими средствами, используемыми для ингибирования каналов T-типа.

Ca2+-каналы L-типа подвержены модуляции посредством фосфорилирования протеинкиназой А (PKA), в то время как каналы P/Q, N - и R-типа более непосредственно модулируются

GPCR.

66

Рисунок из Гудмана: Потенциалзависимые Na+, Ca2+ и K+ каналы.

A. Структура Ca² - и Na -каналов.

α-субъединица этих каналов состоит из четырёх доменов (I–IV), каждый включает шесть трансмембранных (TM) гидрофобных сегментов. Между TM5 и TM6 находятся участки, которые образуют пору канала. Сегмент 4 в каждом домене выполняет функцию сенсора напряжения.

B. Структурное разнообразие K -каналов.

Внутренний выпрямитель (Kir): субъединица Kir по строению соответствует TM5–TM6 сегменту α-субъеди-

ницы Ca² /Na каналов.Четыре субъединицы объединяютсявпору.

Потенциал-чувствительныйK -канал(Kv): α-субъединицыKvиKAимеютшестьTM-доменов,аналогичных одному домену Ca² /Na каналов. Четыре такие субъединицы формируютпору. Их функции могутизме-

няться за счёт цитозольных регуляторных β-субъединиц.

Потенциал-зависимые K+-каналы

Потенциал-зависимые K+-каналы являются наиболее многочисленными в семействе по- тенциал-зависимых ионных каналов. Каналы регулируют форму волны и характер потенциалов действия. Некоторые антиаритмические препараты, например, амиодарон и соталол, модулируют эти каналы напрямую или косвенно, обычно совместно с другими потенциалзависимыми ионными каналами.

67

Рисунок из Гудмана: Потенциалзависимые Na+, Ca2+ и K+ каналы (продолжение).

C. Многосубъединичная сборка Ca2+-каналов.

Ca2+-каналы различно требуют нескольких вспомогательных небольших белков (α2, β, γ и δ); α2- и δ-субъеди- ницы связаны дисульфидной связью. Аналогично, регуляторные субъединицы существуют и для Na+-кана- лов.

D. Ионные градиенты в мембране нейрона.

Почки регулируют состав внеклеточной жидкости, а внутри нейрона ионный баланс поддерживается активным транспортом и выборочной проницаемостью каналов. В покое Na -каналы закрыты, а K -каналы открыты, поэтому мембранный потенциал близок к потенциалу Нернста для K .

Если открываются Na+-каналы → происходит деполяризация. Если повышается проницаемость для K → возникает гиперполяризация. Изменение концентрации Ca² (вход через каналы или выход из внутриклеточных депо) запускает многие процессы, включая выделение нейротрансмиттеров. Cl проходит через каналы, которые активируются ГАМК или глицином.

Лиганд-зависимые ионные каналы

Основными лиганд-зависимыми ионными каналами в нервной системе являются каналы, активируемые возбуждающими или тормозными нейротрансмиттерами.

Каналы, активируемые возбуждающими нейротрансмиттерами, неспецифически проводят Na+ и K+, а также иногда и Ca2+, и включают холинергические никотиновые рецепторы, глутаматергические рецепторы, каинатные и NMDA [N-метил-D-аспартатные] подтипы), и некоторые пуринергические и серотонинергические рецепторы.

Каналы, активируемые тормозными нейротрансмиттерами, проводят Cl– и связаны с ГАМК-рецепторами и глициновыми рецепторами. Активация каналов возбуждающими и тормозными нейротрансмиттерами отвечает за большинство событий, связанных с синаптической

68

передачей нейронами как вЦНС,так инапериферии.Н-холинорецептор является примером воз-

буждающего лиганд-зависимого ионного канала. Изоформы этого канала экспрессируются в ЦНС, вегетативных ганглиях и в нервно-мышечном соединении.

Рисунок – структура нервно-мышечного синапса.

При возбуждении моторного нейрона в синаптическую щель выделяетсяацетилхолин (АХ, ACh). Он связы-

вается с никотиновыми ацетилхолиновыми рецепторами (нХР) на мембране мышечной клетки. Это вы-

зывает открытие ворот (gates opened) ионного канала рецептора, что ведёт к поступлению Na, деполяриза- ции мембраны и запуску потенциала действия, инициирующего сокращение мышцы.

Различный состав субъединиц обуславливает способность конкурентных антагонистов, таких как рокуроний, ингибировать рецептор в нервно-мышечном соединении, не влияя на ганглионарные рецепторы или рецепторы ЦНС. Это свойство используется для обеспечения мышечной релаксации во время операции с минимальными вегетативными побочными эффектами.

Пентамерный рецептор ГАМКА, содержащий α-, β- и γ-субъединицы, проводит Cl– при активацииГАМК-рецептора.РецепторГАМКА помимоосновногоГАМК-чувствительногосайта имеет также сайты-модуляторы, являющихся специфическими мишенями для бензодиазепинов, барбитуратов, пикротоксинаи некоторых других веществ. Множественность изоформкаждойиз составляющих субъединиц этих пентамерных ионных каналов объясняет различную фармакологическую чувствительность этих рецепторов.

Выделяют также каналы, управляемые внутриклеточными лигандами. Существует категория ионных каналов, активируемых внутриклеточными лигандами: IP3-чувствительный Ca2+-канал, ответственный за высвобождение Ca2+ из ЭР.

Существуют каналы транзиторного рецепторного потенциала (TRP) участвуют в раз-

личных сенсорных процессах, включая ноцицепцию, ощущение тепла и холода, механосенсорику и восприятие химических веществ, таких как капсаицин и ментол.

IIтип.Рецепторы,сопряженныесG-белкомивторичнымимесенджерами(ме- таболотропные)

GPCR представляют собой большое семейство рецепторов, которые содержат семитрансмембранный α-спиральный мотив. Опосредованно активируют/ингибируют определенные ферменты или ионные каналы, связанные с плазматической мембраной. Взаимодействие между рецептором и ферментом или ионным каналом происходит с помощью G-белка (GTPсвязывающий белок). Рецепторы в виде полипептидной цепочки пересекают цитоплазматическуюмембрану.

69

Рисунок – GPCR – трансмембранные рецепторы, которые связывают различные внеклеточные лиганды для активацииG-белков внутри клетки, которые выполняют множество известныхинеизвестныхфункций, включая регулирование обоняния, вкуса, зрения, познавательной способности, движения, гормональной сигнализации, иммунной функции и метаболической сигнализации

Агонисты на поверхности клетки взаимодействуют с GPCR, которые связываются с G- белками на внутреннем слое мембраны, которые, в свою очередь, взаимодействуют с эффекторами, расположенными аналогичным образом или присутствующими в цитозоле.

Из более 800 GPCR, экспрессируемых в геноме человека, около 130 в настоящее время являются мишенями для ЛС, как агонистов, так и антагонистов. Остальные включают «сиротские» рецепторы (~130), для которых эндогенные лиганды и функции ещё не определены, сенсорные рецепторы (~420), большинство из которых являются обонятельными, но могут иметь и другие функции.

GPCR обычно, хотя и не всегда, расположены на поверхности клеточной мембраны. Они распознают очень большое количество эндокринных и паракринных факторов, а также зрительных, обонятельных и вкусовых стимулов. GPCR взаимодействуют с G-белками и/или аррестинами в качестве трансдьюсеров на цитоплазматической стороне мембраны.

Подтипы GPCR. Довольно часто эндогенный агонист (например, эндокринный или паракринный фактор) распознается двумя или более GPCR. Эти рецепторы определяются как подтипы рецепторов. Например, ацетилхолин распознаётся пятью подтипами мускариновых (М) рецепторов,отM1 до M5;гистаминчетырьмяподтипамирецепторов– от H1 до H4;5-гидрокситрип- тамин (5HT) или серотонин – как минимум десятью подтипами.

Подтипы рецепторов, распознавая данный эндогенный лиганд, могут различаться между собой по нескольким важным параметрам. Во-первых, подтипы часто демонстрируют различия в сродстве к эндогенным или синтетическим лигандам (т.е. подтипы можно различать фармакологически). Во-вторых, подтипы могут быть по-разному распределены между клетками или тканями,ираспределениеодногоподтипаможет бытьотносительноограниченным.Такимобразом, фармакологическое нацеливание на данный подтип может минимизировать степень возникнове-

ния генерализованных побочных эффектов. Подтипы β-адренорецепторов являются хорошим примером. Агонисты β2-адренорецепторов, такие как тербуталин, используются для бронходилатации при лечении астмы в надежде минимизировать сердечные побочные эффекты, вызванные стимуляцией сердечных β1-адренорецепторов. И напротив, применение селективных антагонистов β1-рецепторов у пациентов, проходящих лечение от гипертонии или стенокардии, минимизирует вероятность бронхоконстрикции.

G-белки при активации агонистами, занимающими GPCR, активируют или ингибируют любое количество целевых ферментов и ионных каналов. Таким образом, G-белки являются

трансдукторами в процессе трансмембранной передачи сигнала.

73

Схема сигнального пути через цАМФ (cAMP) выглядит следующим образом:

Лиганд (например, адреналин)

↓

G-протеин-связанный рецептор (Gαs)

↓

Активация аденилатциклазы (AC)

↓

АТФ → цАМФ (вторичный мессенджер)

↓

Активация протеинкиназы A (PKA)

↓

→Фосфорилирование белков

→Изменение клеточных функций (например, ↑ частоты сердечных сокращений, ↑ бронходилатации)

Схема сигнального пути через цГМФ

Лиганд (например, NO или ANP)

↓

Активация гуанилатциклазы:

-Растворимая (sGC) — через NO

-Мембранная (pGC) — через пептиды (ANP/BNP)

↓

ГТФ → цГМФ (вторичный мессенджер)

↓

Активация протеинкиназы G (PKG)

↓

→Снижение внутриклеточного Ca²

→Релаксация гладкой мускулатуры

↓

→Вазодилатация

Схема сигнального пути DAG/IP3/Ca²

Лиганд (например, норадреналин)

↓

G-протеин-связанный рецептор (Gαq)

↓

Активация фосфолипазы C (PLC)

↓

PIP2 →DAG +IP (вторичные мессенджеры)

↓

IP3 → Связывание с -IPрецептором на ЭП

↓

Освобождение Ca² в цитозоль

↓

→↑Ca² активирует кальций-зависимые процессы

→Вместе с DAG активирует протеинкиназу C (PKC)

→Секреция, сокращение, метаболические изменения

74

Некоторые фармакологические эффекты, связанные сактивацией аде-

нилатциклазной системы:

↑β-адренорецепторы активацияферментов(печени,жировойимышечнойтканей),

участвующих в углеводном и липидном обменах ↑ глюкоза, как энергетический субстрат для мышечных сокращений.

↑ПК-А фосфорилирование потенциалзависимых кальциевых каналов кардио-

миоцитов ↑ Ca2+ ↑ сила сокращения сердца.

В гладких мышцах цАМФ-зависимая киназа фосфорилирует и, таким образом, инактивирует фермент – киназу легкой цепи миозина, необходимую для сокращения релаксация гладкой мускулатуры ЛС, которые ↑ цАМФ в гладкомышечной клетке.

цАМФ гидролизуется фосфодиэстеразой (ФДЭ), которая имеет 11 подтипов, причем некоторые из них (например, ФДЭ-4) избирательно действуют на цАМФ, в то время как другие

(ФДЭ-5) – на цГМФ. Ингибиторы ФДЭ используют в качестве ЛС, например рофлумиласт – ингибитор ФДЭ- 4 – для лечения хронической обструктивной болезни легких, силденафил – ингибитор ФДЭ-5 – для терапии эректильной дисфункции и первичной легочной гипертензии.

ЛП, стимулирующие рецепторы, сопряженные с G-белком, действуют селективно. Например, стимуляция β-адренорецепторов кардиомиоцитов (опосредуют действие через Gs-белки, в со-

ставе которых стимулирующая αs-субъединица) адреналином увеличивает сократимость и ЧСС, а М2-холинорецепторов кардиомиоцитов (опосредуют действие через Gi-белки, в составе которых ингибирующая αi-субъединица) кардиомиоцитов ацетилхолином, наоборот, вызывает их уменьшение.

М1, М3, α1: Gq → ↑ ФЛ-C → ↑ ПК-С

β1, β2, D1: Gs → ↑ АЦ → ↑ ПК-А

М2, α2: Gi → ↓ АЦ →↓ ПК-А

III тип.Фермент-связанные (каталитические, каинатные) рецепторы

Киназы (от греч. kinеo – двигаю, перемещаю) ферменты класса трансфераз, которыеосуществляют перенос фосфатных групп с АТФ на различные субстраты. Представляют собой трансмембранные рецепторы, каталитический домен которых находится с внутренней стороны цитоплазматической мембраны. При связывании лиганда рецептор переходит из мономерной (неактивной) в димерную (активную) форму. Когда, например, тирозинкиназный рецептор активируется, два рецептора соединяются и фосфорилируют свои тирозиновые остатки, что запускает сигналы внутри клетки (см. рисунок). Затем комплекс рецептор-лиганд путем эндоцитозапогружается внутрь клетки (down-регуляция).

75

Рисунок – Тирозинкиназный рецептор

На схеме показан механизм активации тирозинкиназного рецептора.

Сигнальная молекула связывается с сайтом связывания сигнала на внеклеточном домене рецептора. Это приводит к сближению и димеризации рецепторов, проходящих через мембрану в виде спирали. Внутриклеточные домены, содержащие тирозинкиназы, активируются за счёт взаимного аутотрансфосфорилирования.

Врезультате к фосфорилированным участкам присоединяются неактивные релейные белки, которые при этом переходят

вактивное состояние. Далее эти активированные релейные белки запускают цепь внутриклеточных реакций, приводящих

к формированию клеточного ответа.

Signal molecule – сигнальная молекула; Signal-binding site – сайт связывания сигнала

Helix in the membrane – спираль в мембране; Activated relay proteins – активированные релейные белки Inactive relay proteins – неактивные релейные белки; Cellular response – клеточный ответ

Источник: https://youtu.be/-osiUGKsu7o?si=ABnb1KjX345Do4dR

Рецепторные тирозинкиназы включают рецепторы гормонов, таких как инсулин; факторов роста, таких как эпидермальный фактор роста (EGF), тромбоцитарный фактор роста (PDGF), фактор роста нервов (NGF), фактор роста фибробластов (FGF) и VEGF (см. таблицу).

Таблица – Каталитические рецепторы (связанные с ферментами)

Существуют рецепторы, которые сами не обладают каталитической активностью, но передают сигнал через ассоциированные ферменты (например, JAK у цитокиновых рецепторов).

Цитоплазматический домен этих рецепторов сам не обладает киназной активностью, поэтомуон связан с ферментами янус-киназами (JAK). Их назвали в честь бога Януса, потому что у них есть два похожих по строению, но разных по функции киназных домена.

При активации рецептора (например, цитокинами или гормонами) JAK фосфорилируют белки

STAT (Signal Transducer and Activator of Transcription – переносчик сигнала и активатор тран-

скрипции). Активированные STAT перемещаются в ядро клетки и запускают экспрессию геновмишеней. Это приводит к таким последствиям, как пролиферация, дифференцировка, апоптоз клеток-мишеней.