Мышцы

Вторичные посредники гормонов в клетке. Биологические мембраны. Пептидные и белковые гормоны

В зависимости от локализации рецепторов в клетках–мишенях гормоны можно разделить на три группы.

Первую группу составляютгормоны липидной природы. Будучи жирорастворимыми, они легко проникают через клеточную мембрану и взаимодействуют с рецепторами, локализованными внутри клетки,–как правило, в цитоплазме.

Втораягруппа–белковые и пептидные гормоны. Они состоят из аминокислот и по сравнению с гормонами липидной природы имеют более высокую молекулярную массу и менее липофильны, из–за чего с трудом проходят через плазматическую мембрану. Рецепторы этих гормонов находятся на поверхности клеточной мембраны, так что белковые и пептидные гормоны в клетку не проникают.

Третью химическую группу гормонов составляют низкомолекулярныетиреоидные гормоны, образованные двумя аминокислотными остатками, связанными между собой эфирной связью. Эти гормоны легко проникают во все клетки тела и взаимодействуют с рецепторами, локализованными в ядре. Одна и та же клетка может иметь рецепторы всех трех типов, т.е. локализованные в ядре, цитозоле и на поверхности плазматической мембраны. Кроме того, в одной и той же клетке могут присутствовать разные рецепторы одного типа; например, на поверхности клеточной мембраны могут находиться рецепторы разных пептидных и/или белковых гормонов.

Вторичные посредники: 1)циклические нуклеотиды (цАМФ и цГМФ); 2)ионы Ca и 3)метаболиты фосфатидилинозитола.

Присоединение гормона к рецептору позволяет последнему взаимодействовать с G-белком. Если G-белок активирует систему аденилатциклаза-цАМФ, его называют Gs-белком. Стимуляция аденилатциклазы, связанной с мембраной фермента посредствам Gs-белка, катализирует превращение небольшого количества присутствующего в цитоплазме аденозинтрифосфата в цАМФ внутри клетки.

Следующий этап опосредован активацией цАМФ-зависимой протеинкиназой, которая фосфорилирует специфические белки в клетке, запуская биохимические реакции, что гарантированно обеспечивает ответ клетки на действие гормона.

Как только цАМФ образуется в клетке, это обеспечивает последовательную активацию ряда ферментов, т.е. каскадную реакцию. Таким образом, первый активированный фермент активирует второй, который активирует третий. Задача такого механизма заключается в том, что небольшое количество молекул, активированных аденилатциклазой, может активировать значительно большее количество молекул на следующем этапе каскадной реакции, что является способом усиления ответа.

В итоге благодаря этому механизму ничтожно малое количество гормона, действующее на поверхность мембраны клетки, запускает мощный каскад активирующих реакций.

Если гормон взаимодействует с рецептором , сопряженным с тормозящим G-белком (Gi-белок), это снижает образование цАМФ и, как следствие, снижает активность клетки.

По этому механизму, который получил название кальций-фосфолипидный механизм , действуют вазопрессин (через V 1 -рецепторы), адреналин (через α 1 -адренорецепторы), ангиотензин II .

Принцип работы этого механизма совпадает с предыдущим, но вместо аденилатциклазы мишеневым ферментом для α-субъединицы служит фосфолипаза С (ФЛ С). Фосфолипаза С расщепляет мембранный фосфолипид фосфатидилинозитолдифосфат (ФИФ 2) до вторичных мессенджеров инозитолтрифосфата (ИФ 3) и диацилглицерола (ДАГ).

Общая схема кальций-фосфолипидного механизма действия гормонов

Этапы передачи сигнала

Этапы передачи сигнала выглядят следующим образом:

Взаимодействие гормона с рецептором приводит к изменению конформации последнего.
Это изменение передается на G-белок (GTP, ГТФ-зависимый) который состоит из трех субъединиц (α P , β и γ), α-субъединица связана с ГДФ.
В результате взаимодействия с рецептором β- и γ- субъединицы отщепляются , одновременно на α P - субъединице ГДФ заменяется на ГТФ .
Активированная таким образом α P -субъединица стимулирует фосфолипазу С , которая начинает расщепление ФИФ 2 до двух вторичных мессенджеров – ИФ 3 и ДАГ .
Инозитолтрифосфат открывает кальциевые каналы в эндоплазматическом ретикулуме, что вызывает увеличение концентрации ионов Cа 2+ . Диацилглицерол совместно с ионами Са 2+ активирует протеинкиназу С. Кроме этого, диацилглицерол имеет и другую сигнальную функцию: он может распадаться на 1-моноацилглицерол и полиеновую жирную кислоту (обычно арахидоновую), из которой образуются эйкозаноиды .
Протеинкиназа С фосфорилирует ряд ферментов и в целом участвует в процессах клеточной пролиферации. Накопление ионов Са 2+ в цитоплазме вызывает активацию определенных кальций-связывающих белков (например, кальмодулина , аннексина , тропонина С ).
Гидролиз ФИФ 2 продолжается некоторое время, пока α P -субъединица, которая является ГТФ-азой , отщепляет фосфат от ГТФ.
Как только ГТФ превратился в ГДФ, то α P -субъединица инактивируется , теряет свое влияние на фосфолипазу C, обратно соединяется с β- и γ-субъединицами.
Все возвращается в исходное положение.
Гормон отрывается от рецептора еще раньше:

если концентрация гормона в крови велика , то следующая его молекула присоединится к рецептору через малый промежуток времени и повторный запуск механизма произойдет быстро – в клетке активируются соответствующие процессы.
если гормона в крови мало – для клетки наступает некоторая пауза, изменения метаболизма нет.

Ответ клетки-мишени на действие гормона формируется созданием гормонрецепторного (ГР) комплекса, что приводит к активации самого рецептора, инициации ответа клетки. Гормон адреналин при взаимодействии с рецептором открывает мебранная каналы, a Na + - входной ионный ток обусловливает функцию клетки. Однако большинство гормонов открывают или закрывают мембранные каналы не самостоятельно, а во взаимодействии с G-белком.

Механизм действия гормонов на клетки-мишени связан с их химическим строением:

■ водорастворимые гормоны - белки и полипептиды, а также производные аминокислоты - катехоламины, взаимодействуют с рецепторами мембраны клетки-мишени, образуя комплекс «гормон - рецептор" (ГР). Возникновение этого комплекса приводит к образованию вторичного или внутриклеточного посредника (мессенджера), с которым связаны изменения функции клетки. Количество рецепторов на поверхности мембраны клетки-мишени составляет примерно 104-105;

■ жирорастворимые гормоны - стероидные - проходят сквозь мембрану клетки-мишени и взаимодействуют с плазматическими рецепторами, количество которых колеблется от 3000 до 104, образуя комплекс ГР, который далее поступает к мембране ядра. Стероидные гормоны и производные аминокислоты тирозина - тироксин и трийодтиронин - проникают через ядерную мембрану и взаимодействуют с ядерными рецепторами, соединенными с одной или более хромосом, следствием чего являются изменения синтеза белка в клетке-мишени.

Согласно современным представлениям, действие гормонов обусловлена стимуляцией или угнетением каталитической функции некоторых ферментов в клетках-мишенях. Этот эффект может достигаться двумя путями:

■ взаимодействием гормона с рецепторами поверхности клеточной мембраны и запуска цепи биохимических превращений в мембране и цитоплазме;

■ проникновением гормона через мембрану и связывания с рецепторами цитоплазмы, после чего гормонрецепторний комплекс проникает в ядро и органеллы клетки, где и реализует свой регуляторный эффект путем синтеза новых ферментов.

Первый путь приводит к активации мембранных ферментов и образования вторичных мессенджеров. На сегодня известно четыре системы вторичных мессенджеров:

■ аденилатциклаза - цАМФ;

■ гуанилатциклаза - цГМФ;

■ фосфолипаза - инозитолтрифосфат;

■ кальмодулин - ионизированный Са 2+.

Второй путь влияния на клетки-мишени - комплексирования гормона с рецепторами, которые содержатся в ядре клетки, ведет к активации или торможения ее генетического аппарата.

Мембранные рецепторы и вторичные посредники (мессенджеры)

Гормоны, связываясь с рецепторами мембраны клетки-мишени, образуют комплекс "гормон - рецептор" ГР (шаг 1) (рис. 6.3). Конформационные изменения рецептора активируют стимулирующий G-белок (объединенный с рецептором), который представляет собой комплекс из трех субъединиц (α-, β-, γ-) и гуанозиндифосфат (ГДФ). замена

ТАБЛИЦА 6.11. Краткая характеристика гормонов

Где продуцируются гормоны		Название гормона	сокращенное название	Влияния на клетки-мишени
гипоталамус		Тиреотропин-рилизинг-гормон		Стимулирует продукцию аденогипофизом тиреотропину
гипоталамус		Кортикотропин-рилизинг-гормон		Стимулирует продукцию аденогипофизом АКТГ
гипоталамус		Гонадотропин-рилизинг-гормон		Стимулирует продукцию аденогипофизом лютеинизирующего (ЛГ) и фолликулостимулирующего (ФСП гормонов
гипоталамус		Рилизинг-фактор гормона роста		Стимулирует продукцию аденогипофизом соматотропина - гормона роста
гипоталамус		соматостатин		Подавляет продукцию аденогипофизом гормона роста
гипоталамус		Пролактин-ингибирующий фактор (допамин)		Подавляет продукцию аденогипофизом пролактина
гипоталамус		Пролактинстимулюючий фактор		Стимулирует продукцию аденогипофизом пролактина
гипоталамус		окситоцин		Стимулирует выделение молока, сокращение матки
гипоталамус		Вазопрессин - антидиуретический гормон		Стимулирует реабсорбцию воды в дистальном отделе нефрона
Передняя доля гипофиза		ТТГ, или тиреостимулирующие гормон	ТТГ абоТСГ	Стимулирует синтез и секрецию щитовидной железой тироксина, трийодтиронина
Передняя доля гипофиза				Стимулирует секрецию корой надпочечников глюкокортикоидов (кортизола)
Передняя доля гипофиза		фолликулостимулирующий гормон		Стимулирует рост фолликулов и секрецию эстрогенов яичниками
Передняя доля гипофиза		лютеинизирующий гормон		Стимулирует овуляцию, образование желтого тела, а также синтез эстрогенов и прогестерона яичниками
Передняя доля гипофиза		Гормон роста, или соматотропный гормон		Стимулирует синтез белка и рост в целом
Передняя доля гипофиза		пролактин		Стимулирует продукцию и секрецию молока
Передняя доля гипофиза		β-липотропин
Промежуточная доля гипофиза		Мелзнотропин		Стимулирует синтез меланина у рыб, амфибий, рептилий (у людей стимулирует рост скелета (оссификация костей), увеличивает интенсивность метаболизма, теплопродукции, увеличивает утилизацию клетками белков, жиров, углеводов, стимулирует становление умственных функций после рождения ребенка
щитовидная железа		L-тироксин
		трийодтиронин
Кора надпочечников (сетчатая зона)		половые гормоны		Стимулируют продукцию дигидрогепиандростерону и андростендиона
Кора надпочечников (пучковая зона)		Глюкокортикоидов (кортизол)		Стимулирует глюконеогенез, противовоспалительное действие, подавляет иммунную систему
Кора надпочечников (клубочковая зона)		альдостерон		Увеличивает реабсорбцию ионов Na +, секрецию ионов К + в канальцах нефрона
мозговая вещество надпочечников		Адреналин, норадреналин		Активация альфа-, бета-адренорецепторов
		эстрогены		Рост и развитие женских половых органов, пролиферативная фаза менструального цикла
		прогестерон		Секреторная фаза менструального цикла
		тестостерон		Сперматогенез, вторичные половые мужские признаки
Пара щитовидные железы		Парат гормон (паратиреоидний гормон)		Увеличивает концентрацию ионов Са 2+ в крови (деминерализация костей)
Щитовидная железа (С-клетки)	кальцитонин				Уменьшает концентрацию ионов Ca2 + в крови
Активация в почках	1,25-дигидроксихолекальциферол (кальцитриол)				Увеличивает всасывание в кишечнике ионов Са 2+
Поджелудочная железа - бета-клетки					Уменьшает концентрацию глюкозы в крови
Поджелудочная железа - альфа-клетки	глюкагон				Увеличивает концентрацию глюкозы в крови
плацента	Хориональний гонадотропин человека				Увеличивает синтез эстрогена и прогестерона
плацента	Плацентарный лактоген человека				Действует подобно гормона роста и пролактина во время беременности

РИС. 6.3. Схема механизма действия гормона с образованием вторичного внутриклеточного посредника цАМФ. ГДФ - гуаниндифосфат, ГТФ - гуанинтрифосфат

ГДФ на гуанозинтрифосфат ГТФ (шаг 2) приводит к отрыву α-субъединицы, которая тут же взаимодействует с другими сигнальными белками, изменяя активность ионных каналов или клеточных ферментов - аденилатциклазы или фосфолипазы С - и функцию клетки.

Действие гормонов на клетки-мишени с образованием вторичного посредника цАМФ

Активированный мембранный фермент аденилатциклаза превращает АТФ на вторичный посредник - циклического аденозинмонофосфата цАМФ (шаг 3) (см. Рис. 6.3), который в свою очередь активирует фермент протеин киназу А (шаг 4), что приводит к фосфорилирования специфических белков (шаг 5) , следствием чего является изменение физиологической функции (шаг 6), например, образование новых мембранных каналов для ионов кальция, что приводит к росту силы сердечных сокращений.

Вторичный посредник цАМФ распадается под воздействием фермента фосфодиэстеразы в неактивной формы 5"-АМФ.

Некоторые гормоны (натрийуретический) взаимодействуют с тормозными G-белками, что приводит к снижению активности мембранных ферментов аденилатциклазы, уменьшение функции клетки.

Действие гормонов на клетки-мишени с образованием вторичных посредников - диацилглицеролу и инозитол-3-фосфат

Гормон образует комплекс с рецептором мембраны - ОС (шаг 1) (рис. 6.4) и через G-белок (шаг 2) активирует фосфолипазу С, прикрепленную к внутренней поверхности рецептора (шаг 3).

Под влиянием фосфолипазы С, которая гидролизует мембранные фосфолипиды (фосфатидилинозитолбифосфат), образуются два вторичных посредников - диацилглицерол (ДГ) и инозитол-3-фосфат (ИФ3) (шаг 4).

Вторичный посредник ИФ3 мобилизует выход ионов Са 2+ из митохондрий и эндоплазматического ретикулума (шаг 5), которые ведут себя как вторичные посредники. Ионы Ca2 + вместе с ДГ (липидный вторичный посредник) активируют фермент протеинкиназа С (шаг 6), которая фосфорилирует белки и вызывает изменение физиологических функций клетки-мишени.

Действие гормонов с помощью систем "кальций - кальмодулин", который выступает в роли вторичного посредника. Кальций при проникновении в клетку связывается с кальмодулином и активирует его. Активированный кальмодулин, в свою очередь, повышает активность протеинкиназы, которая приводит к фосфорилирования белков, изменения функций клетки.

Действие гормонов на генетический аппарат клетки

Жирорастворимые стероидные гормоны проходят сквозь мембрану клетки-мишени (шаг 1) (рис. 6.5), где связываются с белками-рецепторами цитоплазмы. Образованный комплекс ГР (шаг 2) диффундирует в ядро и связывается со специфическими участками ДНК хромосомы (шаг 3), активируя процесс транскрипции путем образования мРНК (шаг 4). мРНК переносит матрицу в цитоплазму, где обеспечивает процессы трансляции на рибосомах (шаг 5), синтез новых белков (шаг 6), что приводит к изменению физиологических функций.

Жирорастворимые тиреоидные гормоны - тироксин и трийодтиронин - проникают в ядро, где связывается с белком-рецептором, который представляет собой протеины, которые находятся на хромосомах ДНК. Эти рецепторы контролируют функцию как промоутеров, так и операторов генов.

Гормоны активируют генетические механизмы, которые находятся в ядре, благодаря чему производится более 100 типов клеточных белков. Многие из них являются ферментами, которые повышают метаболическую активность клеток организма. Однократно прореагировав с внутриклеточными рецепторами, тиреоидные гормоны обеспечивают контроль экспрессии гена на несколько недель.

Общие представления о путях сигнальной трансдукции

Для большинства регуляторных молекул между их связыванием с мембранным рецептором и окончательной реакцией клетки, т.е. изменением ее работы, вклиниваются сложные серии событий - определенные пути передачи сигнала, иначе называемые путями сигнальной трансдукции.

Регуляторные вещества принято подразделять на эндокринные, нейрокринные и паракринные. Эндокринные регуляторы (гормоны) выделяются эндокринными клетками в кровь и переносятся ею к клеткам-мишеням, которые могут находиться в любом месте организма. Нейрокринные регуляторы выделяются нейронами в непосредственной близости от клеток-мишеней. Паракринные вещества освобождаются несколько дальше от мишеней, но все же достаточно близко к ним, чтобы достичь рецепторов. Паракринные вещества секретируются одним типом клеток, а действуют на другой, однако в некоторых случаях регуляторы предназначены тем клеткам, которые их выделили, или соседним клеткам, относящимся к тому же типу. Это называется аутокринной регуляцией.

В ряде случаев последний этап сигнальной трансдукции состоит в фосфорилировании определенных эффекторных белков, что ведет к усилению или угнетению их активности, а это, в свою очередь, определяет необходимую организму клеточную реакцию. Фосфорилирование белков осуществляют протеинкиназы, а дефосфорилирование - протеинфосфатазы.

Изменения протеинкиназной активности происходят в результате связывания регуляторной молекулы (в общем случае называемой лигандом) с ее мембранным рецептором, что запускает каскады событий, некоторые из которых приведены на рисунке (рис. 2-1). Активность различных протеинкиназ регулируется рецептором не прямо, а через вторичные мессенджеры (вторичные посредники), в роли которых выступают, например, циклический АМФ (цAMФ), циклический ГМФ (цГMФ), Са 2+ , инозитол-1,4,5-три- фосфат (IP 3) и диацилглицерол (DAG). При этом связывание лиганда с мембранным рецептором изменяет внутриклеточный уровень вторичного мессенджера, что, в свою очередь, отражается на активности протеинкиназы. Многие регулятор-

ные молекулы влияют на клеточные процессы через пути сигнальной трансдукции с участием гетеротримерных ГТФ-связывающих белков (гетеротримерных G-белков) или мономерных ГТФ-связывающих белков (мономерных G-белков).

Когда молекулы лиганда связываются с мембранными рецепторами, взаимодействующими с гетеротримерными G-белками, происходит переход G-белка в активное состояние путем связывания с ГТФ. Активированный G-белок может затем взаимодействовать со многими эффекторными белками, прежде всего ферментами, такими, как аденилатциклаза, фосфодиэстераза, фосфолипазы С, А 2 и D. Это взаимодействие запускает цепи реакций (рис. 2-1), которые заканчиваются активацией различных протеинкиназ, таких, как протеинкиназа А (ПКА), протеинкиназа G (ПKG), протеинкиназа C (ПИС).

В общих чертах пути сигнальной трансдукции с участием G-белков - протеинкиназ включает следующие этапы.

1.Лиганд связывается с рецептором на мембране клетки.

2.Связанный с лигандом рецептор, взаимодействуя с G-белком, активирует его, и активированный G-белок связывает ГТФ.

3.Активированный G-белок взаимодействует с одним или несколькими следующими соединениями: аденилатциклазой, фосфодиэстеразой, фосфолипазами С, А 2 , D, активируея или ингибируя их.

4.Внутриклеточный уровень одного или нескольких вторичных мессенджеров, таких, как цАМФ, цГМФ, Са 2+ , IP 3 или DAG, возрастает или снижается.

5.Увеличение или уменьшение концентрации вторичного мессенджера влияет на активность одной или нескольких зависимых от него протеинкиназ, таких, как цАМФ-зависимая протеинкиназа (протеинкиназа А), цГМФ-зависимая протеинкиназа (ПКG), кальмодулинзависимая протеинкиназа (КМПК), протеинкиназа С. Изменение концентрации вторичного мессенджера может активировать тот или иной ионный канал.

6.Уровень фосфорилирования фермента или ионного канала изменяется, что влияет на активность ионного канала, обуславливая конечный ответ клетки.

Рис. 2-1. Некоторые каскады событий, реализующиеся в клетке благодаря вторичным посредникам.

Обозначения: * - активированный фермент

Мембранные рецепторы, связанные с G-белками

Мембранные рецепторы, опосредующие агонист-зависимую активацию G-белков, составляют особое семейство белков, в котором 500 с лишним представителей. К нему относятся α- и β-адренергические, мускариновые ацетилхолиновые, серотониновые, аденозиновые, обонятельные рецепторы, родопсин, а также рецепторы большинства пептидных гормонов. Представители семейства рецепторов, связанных с G-белками, имеют семь трансмембранных α-спиралей (рис. 2-2 А), каждая из которых содержит 22-28 преимущественно гидрофобных аминокислотных остатков.

Для некоторых лигандов, например, ацетилхолина, адреналина, норадреналина и серотонина, известны разные подтипы связанных с G-белками рецепторов. Зачастую они различаются сродством к конкурентным агонистам и антагонистам.

Далее представлена (рис. 2-2 Б) молекулярная организация аденилатциклазы - фермента, продуцирующего цАМФ (первый открытый вторичный мессенджер). Регуляторный путь аденилатциклазы считается классическим путем сигнальной трансдукции, обусловленной G-белками.

Аденилатциклаза служит основой позитивного или негативного контроля путей сигнальной трансдукции через G-белки. При позитивном контроле связывание стимулирующего лиганда, например, адреналина, действующего через β-адренергические рецепторы, ведет к активации гетеротримерных G-белков с α-субъединицей типа as («s» означает стимуляцию). Активация Gs-типа G-белков посредством связанного с лигандом рецептора приводит к тому, что его as-субъединица связывает ГТФ, и затем диссоциирует от βγ-димера.

На рисунке 2-2 В показано, как фосфолипаза С расщепляет фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат на инозитол-1,4,5-трифосфат и диацилглицерол. Оба вещества, инозитол-1,4,5-трифосфат и диацилглицерол, относятся к вторичным мессенджерам. IP3, связываясь со специфическими лигандзависимыми Са 2+ -каналами эндоплазматического ретикулума, высвобождает из него Са 2+ , т.е. повышает концентрацию Са 2+ в цитозоле. Диацилглицерол вместе с Са 2+ активирует другой важный класс протеинкиназ - протеинкиназу С.

Затем показана структура некоторых вторичных мессенджеров (рис. 2-2 Г-Е): цАМФ, ГМФ,

цГМФ.

Рис. 2-2. Примеры молекулярной организации некоторых структур, участвующих в путях сигнальной трансдукции.

А - рецептор мембраны клетки, связывающий на внешней поверхности лиганд, а внутри - гетеротримерный G-белок. Б - молекулярная организация аденилатциклазы. В - структура фосфатидилинози- тол-4,5-дифосфата и образованных под действием фосфолипазы С инозитол-1,4,5-трифосфата и диацилглицерола. Г - структура 3",5"-циклического АМФ (активатора протеинкиназы А). Д - структура ГМФ. Е - структура 3",5"-циклического ГМФ (активатора протеинкиназы G)

Гетеротримерные G-белки

Гетеротримерный G-белок состоит из трех субъединиц: α (40 000-45 000 Да), β (около 37 000 Да) и γ (8000-10 000 Да). Сейчас известно около 20 различных генов, кодирующих эти субъединицы, в том числе не менее четырех генов β-субъединиц и примерно семь генов γ-субъединиц млекопитающих. Функция и специфичность G-белка обычно, хотя и не всегда, определяются его α-субъединицей. У большинства G-бел- ков субъединицы β и γ плотно связаны между собой. Некоторые гетеротримерные G-белки и пути трансдукции, в которых они задействованы, перечислены в табл. 2-1.

Гетеротримерные G-белки служат посредниками между рецепторами плазматической мембраны для более 100 внеклеточных регуляторных веществ и внутриклеточными процессами, которые они контролируют. В общих чертах, связывание регуляторного вещества с его рецептором активирует G-белок, а тот либо активирует, либо ингибирует фермент и/или вызывает цепь событий, приводящих к активации определенных ионных каналов.

На рис. 2-3 представлен общий принцип работы гетеротримерных G-белков. В большинстве G-белков α-субъединица представляет собой «рабочий элемент» гетеротримерных G-белков. Активация большинства G-белков приводит к конформационному изменению этой субъединицы. Неактивные G-белки существуют главным образом в форме αβγ-гетеротримеров,

с ГДФ в позициях, связывающих нуклеотид. Взаимодействие гетеротримерных G-белков с присоединившим лиганд рецептором ведет к преобразованию α-субъединицы в активную форму с повышенным сродством к ГТФ и пониженной афинностью его к βγ-комплексу. В результате активированная α-субъединица освобождает ГДФ, присоединяет ГТФ, а затем диссоциирует от βγ-димера. У большинства G-белков диссоциированная α-субъединица затем взаимодействует с эффекторными белками в пути сигнальной трансдукции. Однако у некоторых G-белков освободившийся βγ-димер может быть ответственным за все или некоторые эффекты рецептор-лигандного комплекса.

Работа некоторых ионных каналов модулируется G-белками непосредственно, т.е. без участия вторичных мессенджеров. Например, связывание ацетилхолина с мускариновыми М 2 -рецепторами сердца и некоторых нейронов ведет к активации особого класса К + -каналов. В этом случае связывание ацетилхолина с мускариновым рецептором ведет к активации G-белка. Его активированная α-субъединица затем отделяется от βγ-димера, а βγ-димер напрямую взаимодействует с особым классом К + -каналов, приводя их в открытое состояние. Связывание ацетилхолина с мускариновыми рецепторами, повышающее К+-проводимость пейсмекерных клеток в синоатриальном узле сердца - один из главных механизмов, посредством которого парасимпатические нервы вызывают уменьшение частоты сердечных сокращений.

Рис. 2-3. Принцип работы гетеротримерных ГТФ-связывающих белков (гетеротримерных G-белков).

Таблица 2-1. Некоторые гетеротримерные ГТФ-связывающие белки млекопитающих, классифицированные на основе их α-субъединиц *

* В каждом классе α-субъединиц различают несколько изоформ. Идентифицировано более 20 α-субъединиц.

Мономерные G-белки

Клетки содержат еще одно семейство ГТФсвязывающих белков, которые называют мономерными ГТФ-связывающими белками. Они также известны как G-белки с низкой молекулярной массой или малые G-белки (молекулярная масса 20 000-35 000 Да). В таблице 2-2 перечислены основные подклассы мономерных ГТФсвязывающих белков и некоторые из их свойств. Ras-подобные и Rho-подобные мономерные ГТФ-связывающие белки участвуют в пути сигнальной трансдукции на этапе передачи сигнала от тирозинкиназы, рецептора фактора роста, на внутриклеточные эффекторы. Среди процессов, регулируемых путями сигнальной трансдукции, в которые вовлечены мономерные ГТФсвязывающие белки, можно назвать элонгацию полипептидной цепи в ходе белкового синтеза, пролиферацию и дифференцировку клеток, их злокачественное перерождение, контроль актинового цитоскелета, связь между цитоскелетом

и внеклеточным матриксом, транспорт везикул между различными органеллами и экзоцитозную секрецию.

Мономерные ГТФ-связывающие белки, как и их гетеротримерные аналоги, представляют собой молекулярные переключатели, существующие в двух формах - активированной «включенной» и инактивированной «выключенной» (рис. 2-4 Б). Однако активация и инактивация мономерных ГТФ-связывающих белков требует дополнительных регуляторных белков, которые, насколько известно, не требуются для работы гетеротримерных G-белков. Мономерные G-белки активируются гуанин-нуклеотид-освобождающими белками, а инактивируются ГТФаза-активирующими белками. Таким образом, активация и инактивация мономерных ГТФ-связывающих белков контролируется сигналами, которые изменяют активность гуанин-нуклеотид-освобождающих белков или ГТФаза-активирующих белков скорее, чем путем прямого воздействия на мономерные G-белки.

Рис. 2-4. Принцип работы мономерных ГТФ-связывающих белков (мономерных G-белков).

Таблица 2-2. Подсемейства мономерных ГТФ-связывающих белков и некоторые регулируемые ими внутриклеточные процессы

Механизм работы гетеротримерных G-белков

Неактивные G-белки существуют главным образом в форме αβγ-гетеротримеров, с ГДФ в их позициях, связывающих нуклеотид (рис. 2-5 А). Взаимодействие гетеротримерных G-белков с присоединившим лиганд рецептором ведет к преобразованию α-субъединицы в активную форму, которая имеет повышенное сродством к ГТФ и пониженную афинность его к βγ-комплексу (рис. 2-5 Б). В большинстве гетеротримерных G-белков именно α-субъединица представляет собой структуру, передающую информацию. Активация большинства G-белков приводит к конформационному изменению α-субъединицы.

В результате активированная α-субъединица освобождает ГДФ, присоединяет ГТФ (рис. 2-5 В), а затем диссоциирует от βγ-димера (рис. 2-5 Г). У большинства G-белков диссоциированная α-субъединица сразу взаимодействует с эффекторными белками (Е 1) в пути сигнальной трансдукции (рис. 2-5 Г). Однако у некоторых G-белков освободившийся βγ-димер может быть ответственным за все или за некоторые эффекты рецептор-лигандного комплекса. Затем βγ-димер взаимодействует с эффекторным белком Е 2 (рис. 2-5 Д). Далее показано, что члены RGS семьи G-белка стимулируют гидролиз ГТФ (рис. 2-5 Е). Это инактивирует α-субъединицу и объединяет все субъединицы в αβγ-гетеротример.

Рис. 2-5. Цикл работы гетеротримерного G-белка, запускающего дальнейшую цепь событий с помощью своей α -субъединицы.

Обозначения: R - рецептор, L - лиганд, Е - эффекторный белок

Пути сигнальной трансдукции через гетеротримерные G-белки

На рисунке 2-6 А показаны три лиганда, их рецепторы, связанные с разными G-белками, и их молекулярные мишени. Аденилатциклаза является основой для позитивного или негативного контроля путей сигнальной трансдукции, которые обусловлены G-белками. При позитивном контроле связывание стимулирующего лиганда, например норадреналина, действующего через β- адренергические рецепторы, ведет к активации гетеротримерных G-белков с α-субъединицей типа α S («s» означает стимуляцию). Поэтому такой G-белок называют G-белком G S -типа. Активация G s -типа G-белков посредством связанного с лигандом рецептора приводит к тому, что его α s - субъединица связывает ГТФ и затем диссоциирует от βγ-димера.

Другие регуляторные вещества, такие, как адреналин, действующий через α 2 -рецепторы, или аденозин, действующий через α 1 -рецепторы, или дофамин, действующий через D 2 -рецепторы, участвуют в негативном или ингибирующем контроле аденилатциклазы. Эти регуляторные вещества активируют G i -тип G-белков, которые имеют α-субъединицу типа α i («i» означает ингибирование). Связывание ингибирующего лиганда с его

рецептором активирует G i -тип G-белков и вызывает диссоциацию его α i -субъединицы от βγ-димера. Активированная α i -субъединица связывается с аденилатциклазой и подавляет ее активность. Кроме того, βγ-димеры могут связывать свободные α s -субъединицы. Этим путем связывание βγ-димеров со свободной α s -субъединицей дополнительно подавляет стимуляцию аденилатциклазы, блокируя действие стимулирующих лигандов.

Еще один класс внеклеточных агонистов (рис. 2-6 А) связывается с рецепторами, которые активируют посредством G-белка, называемого G q , β-изоформу фосфолипазы С. Она расщепляет фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат (фосфолипид, в малых количествах присутствующий в плазматической мембране) на инозитол-1,4,5- трифосфат и диацилглицерол, которые относятся ко вторичным мессенджерам. IP 3 , связываясь со специфичными лигандзависимыми Са 2+ -каналами эндоплазматического ретикулума, высвобождает из него Са 2+ , т.е. повышает концентрацию Са 2+ в цитозоле. Са 2+ -каналы эндоплазматического ретикулума вовлечены в электромеханическое сопряжение в скелетной и сердечной мышце. Диацилглицерол вместе с Са 2+ активирует протеинкиназу С. К ее субстратам относятся, например, белки, участвующие в регуляции клеточного деления.

Рис. 2-6. Примеры путей сигнальной трансдукции через гетеротримерные G-белки.

А - в трех приведенных примерах связывание нейротрансмиттера с рецептором ведет к активации G-белка и последующему включению путей вторичных мессенджеров. G s , G q , и G i подразумевают три различных типа гетеротримерных G-белков. Б - регуляция клеточных белков фосфорилированием ведет к усилению или угнетению их активности, а это, в свою очередь, определяет необходимую организму клеточную реакцию. Фосфорилирование белков осуществляют протеинкиназы, а дефосфорилирование - протеинфосфатазы. Протеинкиназа переносит фосфатную группу (Pi) от АТФ на сериновые, треониновые или тирозиновые остатки белков. Это фосфорилирование обратимо меняет структуру и функции клеточных белков. Оба типа ферментов - киназы и фосфатазы - регулируются различными внутриклеточными вторичными мессенджерами

Пути активации внутриклеточных протеинкиназ

Взаимодействие гетеротримерных G-белков с присоединившим лиганд рецептором ведет к преобразованию α-субъединицы в активную форму, которая имеет повышенное сродство к ГТФ и пониженную афинность его к βγ-комплексу. Активация большинства G-белков приводит к конформационному изменению α-субъединицы, которая освобождает ГДФ, присоединяет ГТФ, а затем диссоциирует от βγ-димера. Далее диссоциированная α-субъединица взаимодействует с эффекторными белками в пути сигнальной трансдукции.

На рисунке 2-7 А продемонстрирована активация гетеротримерных G-белков G s -типа с α-субъединицей типа α s , которая происходит благодаря связыванию с лигандом рецептора и приводит к тому, что α s -субъединица G-белков G s -типа связывает ГТФ и затем диссоциирует от βγ-димера, а далее взаимодействует с аденилатциклазой. Это приводит к повышению уровня цАМФ и активации ПКА.

На рисунке 2-7 Б продемонстрирована активация гетеротримерных G-белков G t -типа с α-субъединицей типа α t , которая происходит благодаря связыванию с лигандом рецептора и приводит к тому, что α t -субъединица G-белков G t -типа активируется и затем диссоциирует от βγ-димера, а далее взаимодействует с фосфодиэстеразой. Это приводит к повышению уровня цГМФ и активации ПKG.

Рецептор катехоламинов α 1 взаимодействует с G αq -субъединицей, активирующей фосфолипазу С. На рисунке 2-7 В продемонстрирована активация гетеротримерных G-белков G αq -типа с α-субъединицей типа α q , которая происходит благодаря связыванию лиганда с рецептором и приводит к тому, что α q -субъединица G-белков G αq -типа активируется и затем диссоциирует от βγ-димера, а далее взаимодействует с фосфолипазой С. Она расщепляет фосфатидилинози- тол-4,5-дифосфат на IP 3 и DAG. Это приводит к повышению уровня IP 3 и DAG. IP 3 , связываясь со специфичными лигандзависимыми Са 2+ - каналами эндоплазматического ретикулума,

высвобождает из него Са 2+ . DAG вызывает активацию протеинкиназы С. В нестимулированной клетке значительное количество этого фермента находится в цитозоле в неактивной форме. Са 2+ заставляет протеинкиназу С связываться с внутренней поверхностью плазматической мембраны. Здесь фермент может активироваться диацилглицеролом, который образуется при гидролизе фосфатидилинозитол-4,5-дифосфата. Мембранный фосфатидилсерин также может быть активатором протеинкиназы С, если фермент находится в мембране.

Описано около 10 изоформ протеинкиназы С. Хотя некоторые из них присутствуют во многих клетках млекопитающих, однако подтипы γ и ε обнаружены, главным образом, в клетках центральной нервной системы. Подтипы протеинкиназы С различаются не только распределением по организму, но, по-видимому, и механизмами регуляции своей активности. Некоторые из них в нестимулированных клетках связаны с плазматической мембраной, т.е. не требуют для активации увеличения концентрации Са 2+ . Некоторые изоформы протеинкиназы С активируются арахидоновой кислотой или другими ненасыщенными жирными кислотами.

Первоначальная кратковременная активация протеинкиназы С происходит под действием диацилглицерола, который освобождается, когда фосфолипаза С β активируется, а также под влиянием Са 2+ , освобожденного из внутриклеточных хранилищ с помощью IP 3 . Долго длящаяся активация протеинкиназы С запускается рецептор-зависимыми фосфолипазами А 2 и D. Они действуют первично на фосфатидилхолин - основной мембранный фосфолипид. Фосфолипаза А 2 отделяет от него жирную кислоту во втором положении (обычно ненасыщенную) и лизофосфатидилхолин. Оба эти продукта активируют определенные изоформы протеинкиназы С. Рецептор-зависимая фосфолипаза D расщепляет фосфатидилхолин таким образом, что образуется фосфатидная кислота и холин. Фосфатидная кислота далее расщепляется до диацилглицерола, участвующего в долговременной стимуляции протеинкиназы С.

Рис. 2-7. Основные принципы активации протеинкиназы А, протеинкиназы G и протеинкиназы С.

Обозначения: R - рецептор, L - лиганд

цAMФ-зависимая протеинкиназа (протеинкиназа А) и связанные с ней сигнальные пути

В отсутствии цАМФ, цАМФ-зависимая протеинкиназа (протеинкиназа А) состоят из четырех субъединиц: двух регуляторных и двух каталитических. У большинства типов клеток каталитическая субъединица одна и та же, а регуляторные субъединицы высокоспецифичны. Присутствие регуляторных субъединиц почти полностью подавляет ферментативную активность комплекса. Таким образом, активация ферментативной активности цАМФ-зависимой протеинкиназы должна вовлекать отделение регуляторных субъединиц от комплекса.

Активация происходит в присутствии микромолярных концентраций цАМФ. Каждая регуляторная субъединица связывает две его молекулы. Связывание цАМФ индуцирует конформационные изменения в регуляторных субъединицах и снижает аффинность их взаимодействия с каталитическими субъединицами. В результате этого регуляторные субъединицы отделяются от каталитических, и каталитические субъединицы становятся активированными. Активная каталитическая субъединица фосфорилирует белкимишени по определенным сериновым и треониновым остаткам.

Сравнение аминокислотных последовательностей цАМФ-зависимой и других классов протеинкиназ показывает, что, несмотря на сильные различия в их регуляторных свойствах, все эти ферменты высокогомологичны по первичной структуре срединной части. Эта часть содержит АТФ-связывающий домен и активный центр фермента, обеспечивающий перенос фосфата с АТФ на белок-акцептор. Участки киназ за пределами этой каталитической срединной части белка участвуют в регуляции киназной активности.

Определена также кристаллическая структура каталитической субъединицы цАМФ-зависимой протеинкиназы. Каталитическая средняя часть молекулы, имеющаяся у всех известных протеинкиназ, состоит из двух долей. Меньшая из них содержит необычный АТФ-связывающий участок, а большая доля содержит участок связывания пептида. Многие протеинкиназы содержат также регуляторный участок, известный как псевдосубстратный домен. По аминокислотной последовательности он напоминает фосфорилируемые участки субстратных белков. Псевдосубстратный домен, связываясь с активным центром протеинкиназы, ингибирует фосфорилирование истинных субстратов протеинкиназы. Активация киназы может включать фосфорилирование или нековалентную аллостерическую модификацию протеинкиназы для устранения ингибирующего действия псевдосубстратного домена.

Рис. 2-8. цAMФ-зависимая протеинкиназа А и мишени.

Когда адреналин связывается с соответствующим рецептором, активация α s -субъединицы стимулирует аденилатциклазу с увеличением уровня цАМФ. цАМФ активирует протеинкиназу А, которая путем фосфорилирования дает три основных эффекта. (1) Протеинкиназа А активирует киназу фосфорилазы гликогена, которая фосфорилирует и активирует фосфорилазу гликогена. (2) Протеинкиназа А инактивирует гликогенсинтазу и таким образом уменьшает образование гликогена. (3) Протеинкиназа А активирует ингибитор фосфопротеин-фосфатазы-1 и тем самым ингибирует фосфатазу. Эффект в целом заключается в координации изменений уровня глюкозы.

Обозначения: УДФ-глюкоза - уридиндифосфатглюкоза

Гормональная регуляция активности аденилатциклазы

На рисунке 2-9 А представлен принципиальный механизм индуцированной гормонами стимуляции и ингибирования аденилатциклазы. Взаимодействие лиганда с рецептором, связанным с α-субъединицей типа α s (стимулирующая), вызывает активацию аденилатциклазы, тогда как взаимодействие лиганда с рецептором), связанным с α-субъединицей типа α i (ингибирующая), вызывает ингибирование фермента. G βγ -субъединица и в стимулирующих, и в ингибирующих G-белках идентична. G α -субъединицы и рецепторы различны. Лиганд-стимулирован-ное образование активных G α ГТФ комплексов происходит с помощью одинаковых механизмов в обоих G αs ,- и G αi -протеинах. Однако G αs ГТФ и G αi ГТФ по-разному взаимодействуют с аденилатциклазой. Одна (G αs ГТФ) стимулирует, а другая G αi ГТФ) ингибирует ее каталитическую активность.

На рисунке 2-9 Б представлен механизм индуцированной определенными гормонами активации и ингибирования аденилатциклазы. β 1 -, β 2 - и D 1 -рецепторы взаимодействуют с субъединицами, которые активируют аденилатциклазу и повышают уровень цАМФ. α 2 -и D 2 -рецепторы взаимодействуют с G αi субъединицами, которые ингибируют аденилатциклазу. (Что касается α 1 -рецептора, то он взаимодействует с G -субъединицей, которая активирует фосфолипазу С.) Рассмотрим один из примеров, представленных на рисунке. Адреналин связывается с β 1 -рецептором, что приводит к активации G αs -белка, который стимулирует аденилатциклазу. Это приводит к увеличению внутриклеточного уровня цАМФ, и, таким образом, усиливает активность ПКА. С другой стороны, норадреналин связывается с α 2 -рецептором, что приводит к активации G αi -белка, который ингибирует аденилатциклазу и тем самым снижает внутриклеточный уровень цАМФ, уменьшая активность ПКА.

Рис. 2-9. Индуцированная лигандами (гормонами) активация и ингибирование аденилатциклазы.

А - принципиальный механизм. Б - механизм применительно к конкретным гормонам

Протеинкиназа С и связанные с ней сигнальные пути

Рецептор α 1 взаимодействует с G αq -субъединицей G-белка, которая активирует фосфолипазу С. Фосфолипаза С расщепляет фосфатидилинози- тол-4,5-дифосфат на IP 3 и DAG. IP 3 , связываясь со специфичными лиганд-зависимыми Са 2+ -каналами эндоплазматического ретикулума, высвобождает из него Са 2+ , т.е. повышает концентрацию Са 2+ в цитозоле. DAG вызывает активацию протеинкиназы С. В нестимулированной клетке этот фермент находится в цитозоле в неактивной

форме. Если цитозольный уровень Са 2+ повышается, происходит взаимодействие Са 2+ с протеинкиназой С, что приводит к связыванию протеинкиназы С с внутренней поверхностью клеточной мембраны. В таком положении фермент активируется диацилглицеролом, образующимся при гидролизе фосфатидилинозитол-4,5-дифосфа- та. Мембранный фосфатидилсерин также может быть активатором протеинкиназы С, если фермент находится в мембране.

В таблице 2-3 приведены изоформы протеинкиназы С млекопитающих и свойства этих изоформ.

Таблица 2-3. Свойства изоформ протеинкиназы С млекопитающих

ДАГ - диацилглицерол; ФС - фосфатидилсерин; ФФА - цис-ненасыщенные жирные кислоты; ЛФХ - лизофосфатидилхолин.

Рис. 2-10. Сигнальные пути диацилглицерол / инозитол-1,4,5-трифосфат

Фосфолипазы и связанные с ними сигнальные пути на примере арахидоновой кислоты

Некоторые агонисты посредством G-белков активируют фосфолипазу А 2 , которая действует на мембранные фосфолипиды. Продукты их реакций могут активировать протеинкиназу С. В частности, фосфолипаза A 2 отделяет от фосфолипидов находящуюся во втором положении жирную кислоту. Вследствие того, что некоторые фосфолипиды содержат в этом положении арахидоновую кислоту, вызванное фосфолипазой A 2 , расщепление этих фосфолипидов освобождает значительное ее количество.

Вышеописанный сигнальный путь арахидоновой кислоты, связанный с фосфолипазой А 2 , называют прямым. Непрямой путь активации арахидоновой кислоты связан с фосфолипазой С β .

Арахидоновая кислота сама по себе является эффекторной молекулой, а кроме того, служит предшественником для внутриклеточного синтеза простагландинов, простациклинов, тромбоксанов и лейкотриенов - важных классов регуляторных молекул. Арахидоновая кислота также образуется из продуктов расщепления диацил-глицеролов.

Простагландины, простациклины и тромбоксаны синтезируются из арахидоновой кислоты циклооксигеназно-зависимым путем, а лейкотриены - липоксигеназно-зависимым путем. Один из противовоспалительных эффектов глюкокортикоидов заключается как раз в ингибировании фосфолипазы A 2 , которая освобождает арахидоновую кислоту из фосфолипидов. Ацетилсалициловая кислота (аспирин  ) и другие нестероидные противовоспалительные средства ингибируют окисление арахидоновой кислоты циклооксигеназой.

Рис. 2-11. Сигнальные пути арахидоновой кислоты.

Обозначения: ПГ - простагландин, ЛГ - лейкотриен, ГПЭТЕ - гидропероксиэйкозатетраеноат, ГЭТЕ - гидроксиэйкозатетраеноат, ЭПР - эндоплазматический ретикулум

Кальмодулин: строение и функции

Множество жизненно важных клеточных процессов, включая освобождение нейротрансмиттеров, секрецию гормонов и мышечное сокращение, регулируется цитозольным уровнем Са 2+ . Один из путей влияния этого иона на клеточные процессы заключается в его связывании с кальмодулином.

Кальмодулин - белок с молекулярным весом 16 700 (рис. 2-12 А). Он присутствует во всех клетках, иногда составляя до 1% их общего белкового содержимого. Кальмодулин связывает четыре иона кальция (рис. 2-12 Б и В), после чего этот комплекс регулирует активность различных внутриклеточных белков, многие из которых не относятся к протеинкиназам.

Комплекс Са 2+ c кальмодулином активирует также кальмодулин-зависимые протеинкиназы. Специфический кальмодулин-зависимые протеинкиназы фосфорилируют специфические эффекторные белки, например, регуляторные легкие цепи миозина, фосфорилазу и фактор элонгации II. Мультифункциональные кальмодулин-зависимые протеинкиназы фосфорилируют многочисленные белки ядра, цитоскелета или мембранные белки. Некоторые кальмодулинзависимые протеинкиназы, такие, как киназа

легкой миозиновой цепи и киназа фосфорилазы, действуют только на один клеточный субстрат, тогда как другие полифункциональны и фосфорилируют более чем один субстратный белок.

Кальмодулин-зависимая протеинкиназа II относится к мажорным белкам нервной системы. В некоторых областях головного мозга на нее приходится до 2% общего белка. Эта киназа участвует в механизме, при котором увеличение концентрации Са 2+ в нервном окончании вызывает освобождение нейротрансмиттера по типу экзоцитоза. Ее главным субстратом служит белок под названием синапсин I, присутствующий в нервных окончаниях и связывающийся с наружной поверхностью синаптических везикул. Когда синапсин I связан с везикулами, он предотвращает экзоцитоз. Фосфорилирование синапсина I вызывает его отделение от везикул, позволяя им выбросить нейротрансмиттер в синаптическую щель путем экзоцитоза.

Киназа легких цепей миозина играет важную роль в регуляции сокращения гладких мышц. Повышение цитозольной концентрации Са 2+ в клетках гладких мышц активирует киназу легких цепей миозина. Фосфорилирование регуляторных легких цепей миозина приводит к длительному сокращению гладкомышечных клеток.

Рис. 2-12. Кальмодулин.

А - кальмодулин без кальция. Б - связывание кальция с кальмодулином и пептидной мишенью. В - схема связывания.

Обозначения: EF - Са 2+ -связывающие домены кальмодулина

Рецепторы с собственной ферметативной активностью (каталитические рецепторы)

Гормоны и факторы роста связываются с протеинами поверхности клетки, которые имеют ферментативную активность на цитоплазматической стороне мембраны. На рисунке 2-13 представлены пять классов каталитических рецепторов.

Один из характерных экземпляров трансмембранных рецепторов с гуанилатциклазной активностью, рецептор предсердного натрий-уретического пептида (ANP). Мембранный рецептор, с которым связывается ANP, не зависит от рассмотренных систем сигнальной трансдукции. Выше было описано действие внеклеточных агонистов, которые, связываясь с мембранными рецепторами, либо активируют аденилатциклазу через G s -белки, либо угнетают ее через G i . Мембранные рецепторы для ANP интересны тем, что сами рецепторы обладают гуанилатциклазной активностью, стимулирующейся связыванием ANP с рецептором.

ANP-рецепторы имеют внеклеточный ANP-свя- зывающий домен, единственную трансмембранную спираль и внутриклеточный гуанилатциклазный домен. Связывание ANP с рецептором повышает внутриклеточный уровень цГМФ, что стимулирует цГМФ-зависимую протеинкиназу. В противоположность цАМФ-зависимой протеинкиназе, имеющей регуляторную и каталитическую субъединицы, регуляторные и каталитические домены цГМФ-зависимой протеинкиназы находятся на одной полипептидной цепи. цГМФзависимая киназа затем фосфорилирует внутриклеточные белки, что приводит к различным клеточным ответам.

Рецепторы с серин-треонин-киназной активностью фосфорилируют белки только по остаткам серина и/или треонина.

Еще одно семейство мембранных рецепторов, не сопряженных с G-белками, состоит из белков с собственнойтирозин-протеинкиназнойактивностью. Рецепторами с собственной тирозин-протеинкиназной активностью служат белки с гликозилированным внеклеточным доменом, единственным

трансмембранным участком и внутриклеточным доменом с тирозин-протеинкиназной активностью. Связывание с ними агониста, например фактора роста нервов (NGF), стимулирует тирозин-протеинкиназную активность, что фосфорилирует специфичные белки-эффекторы по определенным тирозиновым остаткам. Большинство рецепторов для факторов роста димеризуются, когда с ними связывается NGF. Именно димеризация рецептора ведет к появлению у него тирозинпротеинкиназной активности. Активированные рецепторы часто фосфорилируют сами себя, что называется аутофосфорилированием.

К надсемейству пептидных рецепторов относят рецепторы инсулина. Это также тирозин-протеинкиназы. В подклассе рецепторов, относящихся к семейству инсулиновых рецепторов, нелигандный рецептор существует как дисульфид-связанный димер. Взаимодействие с инсулином приводит к конформационным изменениям обоих мономеров, что повышает связывание инсулина, активирует рецепторную тирозинкиназу и ведет к увеличению аутофосфорилирования рецептора.

Связывание гормона или фактора роста с его рецептором запускает разнообразные клеточные ответы, включая поступление в цитоплазму Са 2+ , увеличение Na + /H + обмена, стимуляцию захвата аминокислот и сахара, стимуляцию фосфолипазы С β и гидролиз фосфатидилинозитолдифосфата.

Рецепторы гормона роста, пролактина и эритропоэтина, также как рецепторы интерферона и многих цитокинов, непосредственно не служат протеинкиназами. Однако после активации эти рецепторы образуют сигнальные комплексы с внутриклеточными тирозин-протеинкиназами, которые и запускают их внутриклеточные эффекты. Именно потому они не являются истинными рецепторами с собственной тирозин-протеинкиназной активностью, а просто связываются с ними.

На основе структуры можно полагать, что трансмембранные тирозин-протеинфосфатазы также представляют собой рецепторы, а их с тирозин-протеинфосфатазная активность модулируется внеклеточными лигандами.

Рис. 2-13. Каталитические рецепторы.

А - рецептор гуанилциклазы, Б - рецептор с серин-треонин киназной активностью, В - рецептор с собственной тирозин-протеинкиназной активностью, Г - рецепторы, ассоциированные с тирозин-протеинкиназной активностью

Рецептор-связанные тирозинпротеинкиназы на примере рецепторов интерферона

Рецепторы интерферона непосредственно не являются протеинкиназами. После активации эти рецепторы образуют сигнальные комплексы с внутриклеточными тирозин-протеинкиназами, которые и запускают их внутриклеточные эффекты. То есть они не являются истинными рецепторами с собственной тирозин-протеинкиназной активностью, а просто связываются с ними таке рецепторы называются рецептор-связанными (рецептор-зависимыми) тирозин-протеинкиназами.

Механизмы, благодаря которому эти рецепторы оказывают действие, запускаются, когда гормон связывается с рецептором, что вызывает его димеризацию. Рецепторный димер связывает одну или несколько членов Janus -семейства тирозин-протеинкиназ (JAK). JAK затем перекрестно

фосфорилируют друг друга, а также рецептор. Члены семейства преобразователей сигнала и активаторов транскрипции (STAT) связывают фосфорилированные домены на комплексе рецептора и JAK. STAT-белки фосфорилируются JAK-киназами и затем отсоединяются от сигнального комплекса. В конечном итоге фосфорилированные STAT-белки образуют димеры, которые двигаются к ядру, чтобы активировать транскрипцию определенных генов.

Специфичность рецептора для каждого гормона отчасти зависит от специфики членов семейства JAK или STAT, объединяющихся для образования сигнального комплекса. В некоторых случаях сигнальный комплекс также активирует MAP-(митоген-активирующий протеин)-киназный каскад с помощью адапторных белков, используемых рецепторными тирозинкиназами. Некоторые из ответов рецепторных тирозинкиназных лигандов также вовлекают JAK и STAT пути.

Рис. 2-14. Пример каталитических рецепторов, ассоциированных с тирозин-протеинкиназной активностью. Рецептор, активируемый α -интерфероном (А) и γ -интерфероном (Б)

Ras-подобные мономерные G-белки и опосредованные ими пути трансдукции

Лиганд, например фактор роста, связывается с рецептором, обладающим собственной тирозинпротеинкиназной активностью, что приводит к увеличению транскрипции в 10-ступенчатом процессе. Ras-подобные мономерные ГТФ-связывающие белки участвуют в пути сигнальной трансдукции на этапе передачи сигнала от рецепторов с собственной тирозин-протеинкиназной активностью (например, рецепторов фактора роста) на внутриклеточные эффекторы. Активация и инактивация мономерных ГТФ-связывающих белков требуют дополнительных регуляторных белков. Мономерные G-белки активируются гуанин-нуклеотид-освобождающими белками (GNRP), а инактивируются ГТФаза-активирующими белками (GAP).

Мономерные ГТФ-связывающие белки семейства Ras служат посредниками связывания митогенных лигандов и их тирозин-протеинкиназных рецепторов, что запускает внутриклеточные процессы, ведущие к пролиферации клеток. Когда Ras-белки неактивны, клетки не реагируют на факторы роста, действующие через тирозинкиназные рецепторы.

Aктивация Ras запускает путь сигнальной трансдукции, приводящий в конечном итоге к транскрипции определенных генов, способствующих клеточному росту. Каскад MAP-киназы (МАРК) вовлекается в ответы при активации Ras. Протеинкиназа С также активирует каскад MAP- киназы. Таким образом, каскад MAP-киназы оказывается важной точкой конвергенции для разнообразных эффектов, вызывающих клеточную пролиферацию. Более того, здесь наблюдается перекрест между протеинкиназой С и тирозинкиназами. Например γ-изоформа фосфолипазы С активируется путем связывания с активированным Ras-белком. Эта активация передается на протеинкиназу С в процессе стимуляции фосфолипидного гидролиза.

На рисунке 2-15 представлен механизм, включающий 10 ступеней.

1. Связывание лиганда приводит к димеризации рецептора.

2.Активированнаятирозин-протеинкиназа (RTK) фосфорилирует себя.

3.GRB 2 (growth factor receptor-bound protein-2), SH 2 -содержащий протеин, узнает фосфотирозиновые остатки на активированном рецепторе.

4.Связывание GRB 2 включает SOS (son of sevenless) обменный протеин гуаниннуклеотида.

5.SOS активирует Ras, формируя на Ras ГТФ вместо ГДФ.

6.Активный комплекс Ras-ГТФ активирует другие протеины физическим включением их в плазматическую мембрану. Активный комплекс Ras-ГТФ взаимодействует с N-терминальной частью серин-треонин киназы Raf-1 (известной как митоген-активирующий протеин, MAP) первой в серии последовательности активированных протеинкиназ, которые передают активационный сигнал в ядро клетки.

7.Raf-1 фосфорилирует и активирует протеинкиназу, названную MEK, которая известна как киназа МАP-киназы (МАРКК). MEK - это мультифункциональная протеинкиназа, фосфорилирующая субстраты остатков тирозина и серина / треонина.

8.MEK фосфорилирует МАP-киназу (МАРК), которая также вызывается внеклеточным сигналом - регуляторной киназой (ERK 1 , ERK 2). Активация МАРК требует двойного фосфорилирования на соседних остатках серина и тирозина.

9.МАРК служит важнейшей эффекторной молекулой в Ras-зависимой сигнальной трансдукции, поскольку она фосфорилирует много клеточных протеинов после митогенной стимуляции.

10.Активированная МАРК переносится в ядро, где она фосфорилирует фактор транскрипции. В целом, активированный Ras активирует МАР

путем связывания с ней. Результатом этого каскада являются фосфорилирование и активация МАР-киназы, которая, в свою очередь, фосфорилирует факторы транскрипции, белковые субстраты и другие протеинкиназы, важные для деления и других ответов клеток. Активация Ras зависит от адаптерных белков, связывающихся с фосфотирозиновыми доменами на активированных факторами роста рецепторах. Эти адаптерные белки присоединяются и активируют GNRF (гуанин-нуклеотидобменный протеин), который активирует Ras.

Рис. 2-15. Регуляция транскрипции Ras-подобными мономерными G-белками, запускаемая с рецептора с собственной тирозин-протеинкиназной активностью

Регуляция транскрипции белком, взаимодействующим с цАМФзависимым элементом ДНК (CREB)

CREB -широко распространенный транскрипционный фактор - в норме связан с участком ДНК, названным CRE (сАМР response element). В отсутствии стимуляции CREB дефосфорилирован и не влияет на транскрипцию. Многочисленные пути сигнальной трансдукции посредством активации киназ (таких, как ПКА, Са 2+ /кальмо- дулин-киназа IV, МАР-киназа) приводят к фосфорилированию CREB. Фосфорилированный CREB связывается CBP (CREB-binding protein - CREB-связывающим протеином), который имеет домен, стимулирующий транскрипцию. Параллельно фосфорилирование активирует РР1

(фосфопротеинфосфатазу 1), которая дефосфорилирует CREB, что приводит к остановке транскрипции.

Показано, что активация CREB-опосредованно- го механизма важна для реализации таких высших когнитивных функций, как обучение и память.

На рисунке 2-15 показано также строение цАМФзависимой ПКА, которая в отсутствии цАМФ состоит из четырех субъединиц: двух регуляторных и двух каталитических. Присутствие регуляторных субъединиц подавляет ферментативную активность комплекса. Связывание цАМФ индуцирует конформационные изменения в регуляторных субъединицах, в результате чего регуляторные субъединицы отделяются от каталитических. Каталитические ПКА попадают в ядро клетки и запускают изложенный выше процесс.

Рис. 2-16. Регуляция генной транскрипции с помощью CREB (сАМР response element binding protein) через увеличение уровня циклического аденозинмонофосфата

Некоторые гормоны , в том числе стероиды коры надпочечников и гонад, гормоны щитовидной железы, ретиноидные гормоны и витамин D, связываются с белковыми рецепторами в основном внутри клетки, а не на ее поверхности. Эти гормоны жирорастворимы, поэтому легко проникают через мембрану и взаимодействуют с рецепторами в цитоплазме или ядре. Активированный гормон-рецепторный комплекс взаимодействует со специфическим регулятором (промоутером) последовательности в ДНК, называемым элементом гормонального ответа.

Таким образом, он активирует или репрессирует транскрипцию конкретных генов и образование матричной РНК, поэтому через несколько минут, часов и даже дней после поступления гормона в клетку в ней появляются вновь сформированные белки и становятся регуляторами новых или измененных функций клетки.

Многие ткани имеют идентичные внутриклеточные гормональные рецепторы , однако гены, регулируемые этими рецепторами, различны. Внутриклеточные рецепторы могут активировать генный ответ только в случае наличия в клетке соответствующих комбинаций ген-регуляторных белков. Многие из этих протеин-регуляторных комплексов имеют в разных тканях свои особенности, поэтому ответ различных тканей предопределяется не только специфичностью рецепторов, но также генами, которые регулируются через эти рецепторы.

Механизмы вторичных посредников

Ранее мы отметили один из способов , с помощью которого гормоны вызывают ответы клеток и стимуляцию образования вторичного посредника цАМФ внутри клетки. Затем цАМФ становится причиной запуска последовательных внутриклеточных ответов на действие гормона. Итак, непосредственное действие гормона на клетку заключается в активации индуцирующего рецептора на мембране, а вторичные посредники обеспечивают остальные реакции.

цАМФ - не единственный вторичный посредник, используемый гормонами. Существуют два других, наиболее важных посредника: (1) ионы кальция, сопряженные с кальмодулином; (2) фосфолипидные фрагменты мембран.

Присоединение гормона к рецептору позволяет последнему взаимодействовать с G-белком. Если G-белок активирует систему аденилатциклаза-цАМФ, его называют Gs-белком, указывая на стимулирующую роль G-белка. Стимуляция аденилатциклазы, связанной с мембраной фермента посредствам Gs-белка, катализирует превращение небольшого количества присутствующего в цитоплазме аденозинтрифосфата в цАМФ внутри клетки.

Если гормон взаимодействует с рецептором , сопряженным с тормозящим G-белком (Gi-белок), это снижает образование цАМФ и, как следствие, снижает активность клетки. Следовательно, в зависимости от взаимодействия гормона с рецептором, сопряженным с активирующим или тормозящим G-белком, гормон может как увеличивать, так и уменьшать концентрацию цАМФ и фосфорилирование ключевых белков клетки.

Специфичность эффекта , наблюдаемого в ответ на увеличение или уменьшение цАМФ в различных клетках, зависит от природы внутриклеточных механизмов: некоторые клетки имеют один набор ферментов, другие - иной. В связи с этим реакции, вызываемые в клетках-мишенях, разнообразны. Например, инициация синтеза специфических химических соединений вызывает сокращение или расслабление мышц либо процессы секреции в клетках или изменение проницаемости мембран.

Клетки щитовидной железы , активированные цАМФ, образуют метаболические гормоны - тироксин или трииодтиронин, в то время как тот же цАМФ в клетках надпочечников приводит к синтезу стероидных гормонов коры надпочечников. В клетках тубулярного аппарата почек цАМФ повышает проницаемость для воды.