4. Рецепторы, сопряженные с g-белками

Большинство рецепторов относятся к семейству семикратно пересекающих мембрану серпентиновых (змееподобных) рецепторов. Эти рецепторы выполняют разнообразные биологические сигнальные функции. К ним относятся рецепторы вкусовых клеток. Сотни различных разновидностей рецепторов, находящихся на клетках обонятельных луковиц нашего носа передают информацию относительно присутствия лигандов-ароматов. Серпентиновые рецепторы имеют очень древнее происхождение. Их используют, например, клетки дрожжей, которые выделяют необходимые для спаривания полипептидные факторы и распознают их с помощью поверхностных рецепторов, представляющих собой все те же семикратно пересекающие мембрану серпентиновые рецепторы. Уникальная структура лиганд-связывающих участков серпентиновых рецепторов позволяет связывать лиганды различной природы и молекулярной массы.

Существуют сотни различных форм G-белковых рецепторов, а химическое разнообразие их лигандов чрезвычайно велико. Высокоспецифичные рецепторы этого семейства реагируют на:

• небольшие молекулы, такие как катехоламины, пептиды и хемокины;

• высокомолекулярные соединения, такие как гликопротеиновые гормоны;

• тромбин;

• световые импульсы;

• летучие пахучие вещества.

Хотя общее строение G-белков одинаково, выявлены важные различия:

• различное расположение этих белков в липидном бислое;

• различия пространственной структуры рецепторов, что объясняет наличие различных участков связывания и специфичность этих молекул.

Рисунок 8 иллюстрирует некоторые структурные различия рецепторов, сцепленных с G-белком, и объясняет широкую лигандную специфичность белков этого класса.

К началу 90-х годов было выделено более ста таких рецепторов, сопряженных с G-белком. К этому суперсемейству относятся рецепторы катехоламинов, ацетилхолина, серотонина, гистамина, ангиотензинов и др.

О ни образуют суперсемейство интегральных белков длиной 400-600 аминокислот. В составе цепочки имеются 7 высококонсервативных участков, образованных 22-28 гидрофобными аминокислотами (рис.9 и рис. 10). Данные гидрофобные участки образуют, вероятно, альфа-спирали и 7 раз прошивают плазматическую мембрану. Они разделены крупными гидрофильными сегментами, обращенными наружу и внутрь клетки. N-конец молекулы рецептора расположен во внеклеточном пространстве и имеет участки, по которым происходит N-гликозилирование. Предполагается, что сахарные участки участвуют в прикреплении N-конца рецептора к мембране. На C-концевом фрагменте, обращенном внутрь клетки, имеются участки, по которым может происходить фосфорилирование цАМФ-зависимой ГТФазы. Участок взаимодействия с ГТФ-связывающим белком находится в третьей цитоплазматической петле.

Отличительными структурными чертами серпентиновых рецепторов вообще является наличие внеклеточного N-конца и внутриклеточного С-конца, семи трансмембранных спиралей (ТМ), трех внеклеточных (е1-3) и трех внутриклеточных петель (i1-3) (см. рис. 10).

G-белки – это семейство белков, относящихся к GTPазам и функционирующих в качестве вторичных посредников во внутриклеточных сигнальных каскадах. G-белки названы так, поскольку в своём сигнальном механизме они используют замену GDP на GTP как молекулярный функциональный «выключатель» для регулировки клеточных процессов.

G-белки делятся на две основных группы:

• «большие» гетеротримерные – это белки с четвертичной структурой, состоящие из трех субъединиц:

• альфа(α),

• бета (β),

• гамма (γ)

• «малые» – это белки из одной полипептидной цепи, они имеют молекулярную массу 20-25 кДа и относятся к суперсемейству Ras (малые G-белки, регулируют деление клеток) малых GTPаз. Их единственная полипептидная цепь гомологична α-субъединице гетеротримерных G-белков.

Обе группы G-белков участвуют во внутриклеточной сигнализации.

Основной механизм сигнального действия G-белков. G-белок состоит из трех полипептидов:

• α-субъединица, соединена с молекулой GTP и гидролизует ее,

• β- и γ-субъединицы образуют димер, плотно соединенный нековалентными связями.

При соединении α-субъединицы с молекулой GDP и с βγ-субъединицами образуется неактивный тример, который прикрепляется к С-концевому участку рецептора. Связывание лиганда с этим рецептором приводит к изменению конформации цитоплазматического домена рецептора. Конформация α-субъединицы также изменяется, при этом ее сродство к GDP снижается, и GDP отщепляется от активного участка α-субъединицы.

GTP быстро связывается с активным участком, поскольку его внутриклеточная концентрация приблизительно в 10 раз превышает концентрацию GDP. После связывания GTP α-субъединица принимает активную конформацию и отщепляется как от рецептора, так и от βγ-субъединицы. GTP-связанная α-субъединица активирует различные эффекторные молекулы (например, аденилатциклазу, образующую сАМР). α-субъединица остается в активном состоянии до тех пор, пока входящая в ее состав GTPaзa не гидролизует GTP до GDP. Сразу после гидролиза GTP α- и βγ-субъединицы вновь соединяются и возвращаются к рецептору. Основные этапы этого процесса представлены на рис. 11.

Раньше считалось, что только α-субъединица G-белка взаимодействует с эффектором, а βγ-комплекс либо совсем не участвует в этом процессе, либо действует как отрицательный регулятор. Сейчас известно, что βγ-субъединица также может активировать эффекторные молекулы (например, мускариновые К⁺-каналы). Таким образом, и α-субъединица, и βγ-комплекс участвуют в регуляции клеточного ответа.

Эффекторные молекулы, взаимодействующие с G-белками. G-белки играют ключевую роль в активации каскада эффекторных молекул. К основным эффекторным молекулам, контролируемым G-белками, относятся:

• аденилатциклаза

• фосфолипаза С (PLC)

• фосфолипаза А₂ (PLA2)

• фосфоинозитид-3-киназа (РI₃-киназа)

• киназа β-адренорецептора (PARK)

Хотя в регуляции участвуют и α-субъединица, и βγ-комплекс, механизм регуляции специфичен для каждого эффектора. Например, существуют несколько различных форм аденилатциклазы. Каждая форма этой эффекторной молекулы активируется различными субъединицами G-белка: либо α, либо βγ, либо обеими субъединицами.

Физиологическая роль рецепторов, сопряженных с G-белками. Рецепторы, связанные с G-белками вовлечены в широкий круг физиологических процессов. Вот некоторые примеры:

1. зрение: опсины используют реакцию фотоизомеризации для превращения электромагнитного излучения в клеточные сигналы. Родопсин, например, использует превращение 11-цис-ретиналя в полностью-транс-ретиналь для этой цели

2. обоняние: рецепторы обонятельного эпителия связывают пахучие вещества (обонятельные рецепторы) и феромоны (вомероназальные рецепторы)

3. регуляция поведения и настроения: рецепторы в мозге млекопитающих связывают несколько различных нейромедиаторов, включая серотонин, дофамин, гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК) и глутамат

4. регуляция активности иммунной системы и воспаления: хемокиновые рецепторы связывают лиганды, которые осуществляют межклеточную коммуникацию в иммунной системе; рецепторы, такие как гистаминовый рецептор, связывают медиаторы воспаления и вовлекают определенные типы клеток в воспалительный процесс

5. функционирование вегетативной нервной системы: как симпатическая, так и парасимпатическая нервная система регулируются посредством рецепторов, связанных с G-белками, ответственных за многие автоматические функции организма, такие как поддержание кровяного давления, частоты сердечных сокращений и пищеварительных процессов

Усиление в каскадах передачи сигналов. В течение краткого периода своей активности аденилатциклаза производит несколько сотен молекул цАМФ (рис. 12). После того, как произведенные молекулы цАМФ активируют протеинкиназу А, она фосфорилирует и активирует фермент гликогенфосфорилазу, которая расщепляет гликоген до глюкозо-1-фосфата. Протеинкиназа А фосфорилирует также гликогенсинтазу, что приводит к ингибированию ее активности и, таким образом, предотвращает преобразование освобожденной глюкозы в гликоген. Эти два эффекта вместе обеспечивают мобилизацию глюкозы через расщепление гликогена, запасенного в печени.

В этом каскаде происходит огромное усиление сигнала. Одна молекула адреналина может вызвать активацию сотен α субъединиц G белков. Каждая из них в свою очередь будет активировать аденилатциклазу, которая в свою очередь синтезирует сотни молекул цАМФ. цАМФ активирует протеинкиназу А, которая модифицирует сотни молекул-мишений в клетке.