Биологические мембраны - А. Н. Огурцов 2012

Электрогенез биомембран
Мембранные рецепторы
Типы мембранных рецепторов

Одноклеточные организмы получают информацию из окружающей среды, как правило, в виде света или химических сигналов, которыми могут служить самые разнообразные химические соединения.

Если одноклеточный организм способен самостоятельно перемещаться, то сигналы, привлекающие его, носят название аттрактантов, в этом случае клетка будет двигаться в направлении возрастания концентрации аттрактанта. Отпугивающие вещества - репелленты заставляют одноклеточный организм устремляться в сторону меньшей концентрации сигнала.

У многоклеточных организмов выделяют два уровня восприятия и передачи сигналов.

1. Уровень целого организма, который получает информацию из окружающей среды с помощью органов чувств: глаз, ушей и т. д. В этом случае говорят о сенсорной рецепции, которая обеспечивает восприятия волновой энергии (света, звука, тепла), а в случае обоняния и вкусовых ощущений - химических сигналов.

2. Уровень взаимодействия клеток друг с другом в пределах многоклеточного организма. Клетки обмениваются информацией между собой в основном на языке химических сигналов, которые представлены разнообразными первичными месенджерами, среди них гормоны, нейротрансмиттеры, некоторые белковые факторы, отличные от гормонов.

Образно можно утверждать, что клеткам присуще "чувство локтя" - их поведение может зависеть от присутствия соседей и регулироваться путем межклеточных взаимодействий; подобные эффекты также опосредуются интегрированными во внешнюю клеточную мембрану рецепторами. Если сравнить одно- и многоклеточные организмы по степени сложности их метаболических путей в пределах одной клетки, то окажется, что различие между ними не столь уж и разительно.

По палеонтологическим данным одноклеточные, сравнимые по уровню организации с современными бактериями, появились примерно 3,5 миллиарда лет назад. Однако первые многоклеточные организмы возникли лишь спустя миллиард лет. Можно предположить, что этот промежуток времени в один миллиард лет потребовался именно для объединения одноклеточных организмов с уже вполне сложившимся метаболизмом в их многоклеточное сообщество.

Для того чтобы многоклеточный организм мог возникнуть и затем успешно существовать, одноклеточные организмы должны были научиться координировать друг с другом свою активность так, чтобы их метаболизм, пролиферация и гибель, локализация в том или ином органе или ткани, прочие их функции и характеристики подчинялись прежде всего интересам всего клеточного сообщества.

В итоге в здоровом клеточном сообществе, каковым является многоклеточный организм, наблюдается гармония между его членами, в частности существует определённое равновесие между процессами пролиферации клеток и их естественной гибелью, апоптозом.

Если контроль этих противоположно направленных процессов нарушен, то в случае преобладания апоптоза наступает дегенерация тканей; если же побеждает клеточный индивидуализм, и идёт безудержная пролиферация клеток - происходит рост опухолевых образований, онкология, а значит, в конце концов, гибель как самого организма, так и вышедших из-под контроля, но входящих в него, раковых клеток.

Уровни регуляции клеточного ответа. В самом общем виде можно выделить три основных уровня регуляции клеточного ответа.

1. Уровень транскрипции. Здесь может регулироваться как собственно транскрипция, так и последующий процессинг предшественника мРНК, а также деградация предшественника и самой мРНК.

2. Уровень трансляции. Регуляции может подвергаться собственно синтез белка, его последующая модификация либо скорость деградации про-мРНК или самого белка.

3. Белковый уровень. Регуляция на уровне собственно зрелых белков, реализуемая перечисленными ниже четырьмя способами.

Четыре способа регуляции клеточного ответа на уровне белков.

1. Обратимая ковалентная модификация белков. Примером может служить фосфорилирование гликоген-фосфорилазы, катализируемое специальной протеин-киназой. Обратный процесс дефосфорилирования белков катализируется протеин-фосфатазами. Оба этих разнонаправленных (фосфорилирование/дефосфорилирование) процессса - широко используемый клетками прием для изменения свойств самых разнообразных белков путем их ковалентной модификации. Другой важный способ состоит в ковалентном присоединении к полипептидам гидрофобных групп - метальных и некоторых ацильных, например, остатков пальмитиновой кислоты.

2. Изменение каталитической активности и других свойств белков под действием лигандов. Число подобных лигандов велико, но для сигнальных систем наиболее важны вторичные месенджеры: цАМФ, цГМФ, ДАГ, IР₃, ионы Са²⁺. Каждый из них может регулировать активность некоторых протеин-киназ, а значит, и уровень фосфорилирования соответствующих белков-мишеней.

3. Модуляция свойств белков путем белок-белковых взаимодействий. В качестве примера можно привести цАМФ-зависимую протеин-киназу (протеин-киназу А) (см. [1] пп. 6.6.4, 6.8.1) (рисунок 146).

Рисунок 146 - Активация протеин-киназы А, индуцированная цАМФ

Молекула этого фермента, состоящая из двух каталитических (С) и двух регуляторных (R) субъединиц, неактивна потому, что каждая из регуляторных субъединиц в составе тетрамера служит ингибитором протеин-киназной активности каталитических компонентов. Однако в присутствии цАМФ тетрамер диссоциирует на составные части, каталитические субъединицы освобождаются от ингибирования и фосфорилируют белки-мишени.

4. Изменение компартментализации. Изменение компартментализации (или, иначе, изменение местонахождения) белковой молекулы, например, при её переходе из цитозоля (один компартмент) на мембрану (другой компартмент), может быть причиной драматических изменений свойств белков, существенных для их сигнальных функций. Наверное, один из самых ярких примеров такого рода - широко распространённый белок p21^ras, который имеет прямое отношение к злокачественной трансформации клеток человека и животных. Точнее, это относится к мутантным формам p21^ras, тогда как нормальная его форма участвует в работе некоторых сигнальных систем, у которых первичным месенджером служат белковые факторы роста, регулирующие деление и дифференцировку клеток. Недавно установлено, что p21^ras, приняв сигнал от соответствующего рецептора, переходит в активированное состояние, и всё, что он затем должен сделать, - это перевести специальную протеин-киназу, именуемую Raf, из цитоплазмы на мембрану.

Регуляция на уровне зрелых белков может происходить также и другими путями, например при их секреции, экзоцитозе и эндоцитозе.

Основные типы мембранных рецепторов. Существуют три основных типа рецепторов, интегрированные во внешнюю клеточную мембрану:

1) рецепторы, сопряжённые с G-белками (GPCR);

2) рецепторы - ионные каналы;

3) рецепторы, ассоциированные с ферментативной активностью.

Рецепторы, сопряжённые с G-белками (G-protein coupled receptors, GPCR), передают сигнал от первичных месенджеров к внутриклеточным мишеням с помощью каскада GPCR→G-белок→эффекторный белок. Первичными сигналами для этих рецепторов служат самые разнообразные молекулы, например, низкомолекулярные гормоны и нейротрансмиттеры (такие, как адреналин, норадреналин, ацетилхолин, серотонин, гистамин), опиоиды, гормоны пептидной и белковой природы (адренокортикотропин, сомаостатин, вазопрессин, ангиотензин, гонадотропин, эпидермальный фактор роста), некоторые нейропептиды.

В этот же ряд попадают множество химических сигналов, воспринимаемых обонятельными и вкусовыми сенсорными клетками, и свет, рецептором для которого служит пигмент зрительных или фоторецепторных клеток родопсин.

Следует учесть, что один и тот же первичный сигнал может инициировать передачу сигнала через несколько (иногда более 10) разных GPCR, так что, если число внешних сигналов для GPCR составляет несколько десятков, то самих таких рецепторов известно более 200.

При всем их разнообразии GPCR представляют собой мономерные интегральные мембранные белки, полипептидная цепь которых семь раз пересекает клеточную мембрану. Во всех случаях участок рецептора, ответственный за взаимодействие с первичным сигналом, локализован с внешней стороны мембраны, а участок, контактирующий с G-белком - на её цитоплазматической стороне.

Следующий за рецептором компонент каскада передачи сигнала с участием GPCR представлен G-белком. Найдено около 20 различных G-белков, среди них прежде всего нужно упомянуть G_s и G_i которые соответственно стимулируют и ингибируют аденилатциклазу; G_q, активирующий фосфолипазу С; G-белки сенсорных клеток: фоторецепторных - G, (трансдуцин), обонятельных - G_olf и вкусовых - G_g.

G-белки - это гетеротримеры, которые состоят из субъединиц трёх типов: а, ß и у, но в естественных условиях последние две субъединицы функционируют как единый ßy-комплекс. Важнейшая характеристика G-белков - присутствие на их а-субъединице центра связывания гуани- ловых нуклеотидов: ГДФ и ГТФ (рисунки 139, 145). Если с G-белком связан ГТФ, то это соответствует его активированному состоянию. Если в нуклеотидсвязывающем центре присутствует ГДФ, то эта форма соответствует неактивному состоянию белка (рисунок 79).

Центральное событие при передаче сигнала от рецептора, на который подействовал первичный сигнал, к G-белку состоит в том, что активированный рецептор катализирует обмен ГДФ, связанного с G-белком, на присутствующий в среде ГТФ. Такой ГДФ/ГТФ-обмен на G-белке сопровождается диссоциацией тримерной молекулы G-белка на две функциональные субъединицы: а-субъединицу, содержащую ГТФ, и ßy-комплекс (рисунки 139, 145).

Далее одна из этих функциональных субъединиц, какая именно - зависит от типа сигнальной системы, взаимодействует с эффекторным белком, представленным ферментом или ионным каналом. Как следствие их каталитическая активность или ионная проводимость соответственно меняется, что, в свою очередь, приводит к изменению цитоплазматической концентрации вторичного месенджера (или иона) и, в конечном счёте, инициирует тот или иной клеточный ответ.

Эффекторными белками в сигнальных системах типа GPCR→ G-белок→эффекторный белок могут быть аденилатциклаза, катализирующая синтез цАМФ из АТФ; фосфолипаза С, гидролизующая фосфати-дилинозит с образованием ДАГ и IР₃; фосфодиэстераза, расщепляющая цГМФ до ГМФ; некоторые типы калиевых и кальциевых каналов.

Важно, что при передаче сигнала в каскаде рецептора G-белок→эффекторный белок исходный внешний сигнал может многократно усиливаться (амплифицироваться). Это происходит благодаря тому, что одна молекула рецептора за время пребывания в активированном состоянии (R*) успевает перевести в активированную форму (G*) несколько молекул G-белка.

Например, в зрительном каскаде родопсин→G→цГМФ-фосфодиэстераза на каждую молекулу R* может образоваться несколько сотен или даже тысяч молекул G_t*, а это означает, что на первой стадии каскада R*→G* коэффициент усиления внешнего сигнала составляет 10²—10³. Хотя на следующей стадии каскада (G*→эффекторный белок) каждая молекула G* взаимодействует только с одной молекулой эффекторного белка, сигнал здесь также амплифицируется, поскольку на каждую молекулу G* и, соответственно, активированного эффекторного белка в цитоплазме появляется (или исчезает) множество молекул вторичного месенджера. Так, в зрительном каскаде на второй его стадии одна молекула активированной цГМФ-фосфодиэстеразы способна расщепить в секунду до 3000 молекул цГМФ, служащего в фоторецепторных клетках вторичным месенджером.

Общий коэффициент усиления каскада равен произведению коэффициентов усиления на всех стадиях каскада. Коэффициент амплификации сигнала при его прохождении через каскад может достигать весьма высоких значений: в зрительных клетках это величина порядка 10⁵—10⁶.

Прекращение действия внешнего стимула сопровождается выключением всех компонентов сигнальной системы. На уровне рецепторов это достигается, во-первых, в результате диссоциации первичного месенджера из комплекса с GPCR, во-вторых, путем фосфорилирования рецепторов под действием специальных протеин-киназ и последующего связывания с модифицированным рецептором специального белка (например, ß-appecтина).

G-белки обладают ГТФазной активностью, то есть способностью гидролизовать связанный с ними ГТФ до ГДФ, что обеспечивает их самовыключение, то есть переход G-ГТФ→G-ГДФ. Поскольку состояние активации эффекторного белка (включён-выключен) прямо зависит от состояния G-белка, то этот переход означает также выключение эффекторного белка, а, следовательно, прекращение синтеза (гидролиза) вторичного месенджера или закрывание ионного канала.

И, наконец, чтобы переход клетки к исходному (до действия внешнего стимула) состоянию завершился, специальные механизмы восстанавливают исходный уровень вторичного месенджера или катиона в её цитоплазме. Например, цАМФ, цитоплазматическая концентрация которого повышается при передаче сигнала в каскаде ß-адренорецептора Gs-белок→аденилатциклаза, гидролизуется затем цАМФ-фосфодиэстеразой до нециклического (линейного) АМФ, который свойствами вторичного месенджера не обладает.

Рецепторы - ионные каналы. Рецепторы - ионные каналы действуют одновременно и как ионные каналы, и как рецепторы, которые способны специфически связывать со своей внешней стороны первичные сигналы, изменяющие их ионную (катионную или анионную - в зависимости от типа рецептора) проводимость.

Рецепторы данного типа используют в качестве первичных сигналов некоторые нейротрансмиттеры, отвечающие за синаптическую передачу в электрически возбудимых клетках. Классические примеры такого рода - это катионные ацетилхолиновые никотиновые рецепторы, локализованные на мембране клеток скелетных мышц в местах их синапсов с моторными нейронами (см. п. 16.5), и подобные рецепторы из электрического органа скатов.

Рецепторы, ассоциированные с ферментативной активностью, по своей четвертичной (субъединичной) структуре весьма разнообразны. За некоторыми исключениями они представляют собой либо мономеры, которые при связывании с ними первичного месенджера димеризуются, либо олигомеры, образованные несколькими субъединицами различных типов. Практически у всех этих рецепторов полипептидная цепь их мономерных субъединиц единственный раз пересекает клеточную мембрану. Общим у них является также то, что участок для связывания первичного сигнала локализован на рецепторе со стороны, обращённой во внеклеточное пространство.

По механизму взаимодействия с цитоплазматическими мишенями рецепторы данного типа разделяются на две группы.

Первая группа включает рецепторы-ферменты, с цитоплазматической стороны которых находится каталитический участок, активируемый при действии на рецептор внешнего сигнала.

Назовем основные виды рецепторов-ферментов.

Во-первых, нужно упомянуть обширное семейство рецепторных протеин-тирозинкиназ, способных аутофосфорилироваться (см. п. 15.2), то есть фосфорилировать самих себя по тирозиновым остаткам и фосфорилировать тирозиновые остатки белков-мишеней.

Во-вторых, это рецепторы, обладающие протеин-тирозинфосфатазной активностью, которые дефосфорилируют фосфотирозиновые остатки белков-мишеней. Укажем, что рецепторные протеин-тирозин-киназы и протеин-тирозинфосфатазы вовлекаются в регуляцию таких важнейших событий, как клеточное деление, дифференцировка, развитие иммунного ответа.

В-третьих, существуют рецепторные гуанилатциклазы, которые катализируют синтез вторичного месенджера, цГМФ из ГТФ. Рецепторы данного типа участвуют в регуляции водно-солевого обмена и тонуса сосудов.

Вторая группа рассматриваемых рецепторов собственной ферментативной активностью не обладает. Однако в присутствии внешнего сигнала они приобретают способность связывать цитоплазматические (не рецепторные) протеин-тирозинкиназы, которые в свободном состоянии неактивны, но в комплексе с рецептором активируются и фосфорилируют его (см. п. 15.3). Включение фосфатных остатков в такой рецептор-якорь создаёт условия для связывания с ним других белков- мишеней, которые также фосфорилируются и тем самым передают сигнал дальше. В эту группу входят рецепторы, участвующие в развитии иммунного ответа, а именно: рецепторы антигенов и рецепторы цитокинов, или интерлейкинов.

Ниже будут подробнее рассмотрены некоторые механизмы мембранной рецепции.