Тема 8. Передача інформації через клітинну мембрану. Внутрішньоклітинні медіатори

1. Загальні положення

2. Типи рецепторів

3. Передача гормонального сигналу через мембрану

4. Передача сигналу у фоторецепторних клітинах сітківки

5. Біохімічні механізми нюху і посилення первинних нюхових сигналів

6. Рецептори збудливих тканин

7. Механочутливі іонні канали

1. Загальні положення

Здатність сриймати, переробляти та передавати інформацію – важлива властивість живих організмів. Процес отримання інформації, як правило, починається із взаємодії сигналу з рецептором – мембранним білком – далі передача інформації в центр переробки інформації, який знаходиться всередині клітини. Цей процес відбувається за допомогою сигналу вторинного месенджера – у клітині відбувається біохімічна модифікація або зміна концентрації іонів спеціалізованих молекул-ефекторів. Саме за таком принципом функціонує нервова, гормональна та імунна системи тварин, а також фотобіологічні процеси в організмі тварин і рослин (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Три основні механізми нейроендокринної регуляції клітин

Сигнальні молекули, як правило, не проникають всередину клітини, а специфічно взаємодіють з рецепторами, які локалізовані у зовнішньому шарі клітинної мембрани. Стероїдні і тиреоїдні гормони, будучи гідрофобними, здатні проникати через плазматичну мембрану всередину клітини, де взаємодіють з розчинними рецепторними білками в цитоплазмі чи нуклеоплазмі.

Різні молекули активують рецептори, діючи на них в дуже малих концентраціях – 10^-8-10^-9 М.

2. Типи рецепторів

Рецепторні білки поділяються на два класи: глобулярні та мембранні. Перші – вільноплаваючі в цитоплазмі білки, афінні до визначених типів молекул. Поява в цитоплазмі лігандів для цих рецепторів призводить до зміни властивостей цих рецепторів і виконанню ними своїх функцій. Наприклад, ПК С, зв’язуючись з іонами Са²⁺, приєднується до мембрани і атакує мембранні субстрати. Сюди належать і рецептори до стероїдних і тиреоїдних гормонів. Мембранні рецептори – це інтегральні білки, які зв’язують сигнальні речовини зовні і за рахунок змін своєї конформації генерують новий сигнал на внутрішній стороні мембрани – утворення вторинних месенджерів – порівняно невеликих молекул, дифузія яких до визначених субклітинних структур забезпечує стрімке поширення сигналу.

Розрізняють три типи рецепторів:

1) Рецептори, асоційовані з ферментативною активністю – алостеричні ферменти, які мають один трансмембранний поліпептидний ланцюг. Багато з них є тирозиновими протеїнкіназами; сюди належать рецептори інсуліну, ростових факторів і цитокінів. Зв’язування сигнальної речовини веде до димеризації рецептору, при цьому відбувається активація ферменту і фосфорилювання залишків тирозину у низці білків. У першу чергу фосфорилюється молекула рецептора (авторфосфорилювання).

2) Ансамблі рецепторів з іонними каналами – це олігомерні мембранні білки, які утворюють ліганд-активуючий іонний канал. Зв’язування ліганду веде до відкриття каналу для іонів Na⁺, K⁺ чи Cl^-. За таким принципом здійснюється дія нейромедіаторів, таких, як ацетилхолін (нікотинові рецептори: Na⁺, K⁺-канали) і γ-ГАМК (ГАМК-рецептор, який є Cl^--каналом). Класичний приклад – катіонні ацетилхолінові рецептори.

3) Рецептори, спряжені з ГТФ-зв’язаними білками (ГТФазами) – поліпептидний ланцюг цих білків включає 7 трансмембранних ланцюгів. Ці рецептори передають сигнал за допомогою ГТФ-зв’язуючих білків на білки-ефектори, які розміщені на сусідніх ділянках мембрани чи в цитоплазмі.

За механізмом дії з цитоплазматичними мішенями рецептори першого типу поділяються на дві групи.

Перша група включає рецептори-ферменти, з цитоплазматичної сторони яких знаходиться каталітична ділянка, яка активується при дії на рецептор зовнішнього сигналу. До них належать родина рецепторних тирозинових протеїнкіназ, які фосфорилюють залишки тирозину білків-мішеней. Сюди ж належать рецептори, які мають протеїнфосфатазну активність, які дефосфорилюють фосфотирозинові залишки. Функції даної групи рецепторів – регуляція клітинного поділу, диференціювання клітин, розвиток імунної відповіді.

Друга група рецепторів не має власної ферментативної активності. Проте у присутності зовнішнього сигналу вони набувають здатності зв’язувати цитоплазматичні (нерецепторні) протеїнтирозинкінази, які у вільному стані неактивні, але у комплексі з рецептором активуються і фосфорилюють його. Включення фосфатних залишків в такий рецептор-якір створює умови для зв’язування з ним інших білків-мішеней, які також фосфорилюються і тим самим передають сингал. Сюди входять рецептори, які беруть участь в розвитку імунної відповіді – рецептори антигенів і цитокінів.

Ряд білків-ефекторів здійснює свої функції внаслідок фосфорилювання цАМФ-залежними протеїнкіназами. Родина протеїнкіназ поділяється на групи за механізмом активації і за типом субстрату. ПК А активується цАМФ, ПК G – цГМФ, ПК С – диацилгліцеролом, Са²⁺, кальмодулін-залежні кінази – iонами Са²⁺. За типом субстрату – відомі тирозинкінази та серин (треонін) -кінази.

G-білки і вторинні месенджери

На сьогодні в основу класифікації клітинних сигнальних систем покладені вторинні месенджери і клітинні реакції, які ними регулюються. До основних сигнальних систем відносяться: циклоаденілатна, Са²⁺-фофоінозитлтрифосфа-залежна, ліпооксиненазна, НАДФН-оксидазна, NO-синтазна. В останній час особлива увага приділяється МАР-кіназній системі, яка регулює клітинний цикл. У більшості з цих систем в якості проміжних ланок залучені так звані G-білки.

Рецептори, спряжені з G-білками (G-protein coupled receptors, GPCR) передають сигнал від первинних месенджерів до внутрішньоклітинних мішеней – через G-білки на ефекторний білок. Первинними сигналами для цих рецепторів слугують низькомолекулярні гормони і нейромедіатори (адреналін, ацетилхолін, серотонін, гістамін), опіоїди, гормони пептидної і білкової природи, деякі нейропептиди. Сюди належать і хімічні сигнали, які сприймаються нюховими та смаковими сенсорними клітинами, а також світло, рецептором для якого слугує пігмент фоторецепторних клітин – родопсин. Один і той же сигнал може передаватись через різні GPCR.

За рецептором в сигнальному каскаді розміщений G-білок. На сьогодні ідентифіковано близько 20 G-білків. Найбільш поширені Gs i Gi-білки, які відповідно стимулюють та інгібують аденілатциклазу (АЦ), Gq – активує фосфоліпазу С, G-білки сенсорних клітин: фоторецепторних – Gt (трансдуцин), нюхових – G_olf і смакових – G_g. G-білки – гетеродимери, які складаються з субодиниць трьох типів: α, β і γ. У природних умовах останні субодиниці функціонують як єдиний βγ-комплекс.

Важлива характеристика G-білків – наявність на α-субодиниці центру для зв’язування гуанілових нуклеотидів: ГДФ і ГТФ. Якщо з G-білком зв’язаний ГТФ, то G-білок активний; якщо ГДФ, то неактивний. Активований рецептор каталізує обмін ГДФ, який зв’язаний з G-білком, на ГТФ. Ця подія називається ГДФ/ГТФ-обмін, який супроводжується дисоціацією тримерної молекули G-білка на дві субодиниці: α-субодиниця містить ГТФ, і βγ-комплекс. Далі одна з цих субодиниць (залежно від типу сигнальної системи) взаємодіє з ефекторним білком-ферментом або катіонним каналом → клітинна відповідь. Ефекторними білками можуть бути АЦ і фосфоліпаза С (каталізує гідроліз фосфатидилінозитолу до диацилгліцеролу і ІР₃), фосфодіестераза, яка розщеплює цГМФ до ГМФ, деякі К⁺ і Са²⁺-канали. При передачі сингалу – рецептор → G-білок → ефекторний білок → сигнал може багаторазово посилюватись (молекула рецептора в активному стані може активувати кілька молекул G-білка) → 10⁵-10⁶ раз посилення.

При припиненні дії зовнішнього стимулу компоненти сигнальної системи виключаються → первинний сигнал дисоціює від GPCR і рецептори фосфорилюються під дією спеціальних протеїназ і зв’язуються із спеціальним білком. G-білки мають здатність гідролізувати ГТФ до ГДФ, що забезпечує їх інактивацію. Спеціальні механізми відновлюють вихідний рівень вторинних месенджерів (наприклад, цАМФ гідролізується до АМФ під дією фосфодіестерази).

Роль мембранних фосфоінозитидів у передачі сигналу

Зовнішній сигнал після взаємодії з рецептором через G-білок активує фосфодіестеразу (фосфоліпазу С), яка гідролізує фосфатидилінозитол-4,5-бісфосфат (ІФ₂) з утворенням диацилгліцеролу та інозитолтрифосфату.

Інозитолтрифосфат викликає вивільнення кальцію з мембран ЕПР, мабуть, зв'язуючись зі спеціальним рецептором. Незважаючи на те, що процес викиду кальцію з внутрішньоклітинних депо під дією фосфоінозитидів виявлений в цілому ряді клітин, механізм, за допомогою якого він відкриває внутрішньоклітинні кальцієві канали, остаточно не з'ясований.

Диацилгліцерол (ДАГ) виступає в якості вторинного месенджера, оскільки він ініціює механізми, в результаті яких активуються два типи протеїнкіназ: протеїнкіназа С і цГМФ-залежна кіназа.

Диацилгліцерол може зазнавати подальшої деградації під дією диацілгліцеролліпази до арахідонової кислоти, яка перетворюється в різноманітні біологічно активні метаболіти, в тому числі ейкозаноїди і простагландини.

Інші типи вторинних посередників

Найбільш важливими вторинними мессенджерами є цAМФ, цГМФ, Са²⁺, ІФ₃, диацилгліцерол і монооксид азоту (NO).

ГТФ перетворюється в цГМФ за допомогою ферменту гуанілатциклази. На відміну від аденілатциклази, гуанілатциклаза не зв'язана з мембранними рецепторами. Проте утворення цГМФ частково супроводжується активацією трифосфоінозитидного циклу, оскільки деякі його компоненти, мабуть, викликають активацію гуанілатциклази. Відомо, що цГМФ активує спеціальні G-кінази, що викликають фосфорилювання певних білків, фізіологічна роль яких поки не встановлена. Очевидно, цГМФ може відіграти роль вторинного месенджера в клітинах нервової тканини. Окрім того, цГМФ змінює активність інших білків, включаючи іонні канали (як у випадку реалізації світлового сигналу).

цГМФ утворюється двома гуаніллатциклазами – мембранозв'язаною і цитозольною формами. Мембранний фермент активується натрійуретичним гормоном (G-білки при цьому не беруть участі), а розчинна (цитозольна) – радикалами NO, СО і ОН. Останні являють собою новий клас неорганічних регуляторів.

Який же механізм збільшення внутрішньоклітинної концентрації Са²⁺, спричиненої інозитолтрифосфатом і диацилгліцеролом, які утворюються при гідролізі фосфатидилінозит-4,5-дифосфату?

Хоча є величезна кількість чинників, що вказують на те, що під дією фосфоінозитол-трисфосфату відбувається вивільнення Са²⁺ у фізіологічних умовах, механізм його участі у відкриванні Са-каналу до кінця незрозумілий.

На частку фосфатидилінозитолу припадає лише 2-8% всіх фосфоліпідів, що містяться в клітинних мембранах еукаріотів. Від 1 до 10% фосфатидилінозитолу, присутнього в мембрані, припадає на частку ФІФ2. Цей компонент є, ймовірно, першою мішенню для фосфатидилінозитол-специфічної фосфоліпази С, яка активується в багатьох клітинах G-білками. Продукти гідролізу беруть участь як вторинні месенджери у багатьох клітинних процесах. Дослідження цієї системи в деталях ще не закінчено, але в цілому послідовність подій можна подати наступним чином.

Початковими продуктами гідролізу ФІФ2 є диацілгліцерол і ІФ₃. ДАГ залишається зв’заним з мембраною, а ІФ₃ вивільняється в цитоплазму. Зазвичай жирні кислоти фосфатділінозитолу представлені стеариновою кислотою в положенні 1 і арахідоновою кислотою в положенні 2. ІФ₃ призводить до мобілізації Са²⁺, акумульованого в ЕПР. Можливо, цей компонент шляхом прямого зв'язування відкриває Са²⁺-специфічні канали в ЕПР, що призводить до виходу іонів кальцію з ретикулума в цитоплазму, де його рівень зростає в кілька разів (від 0,1 мкМ до 5-10 мкм). Одним з ферментів, які регулюються Са²⁺, є фосфоліпаза С, яка при низькій концентрації Са²⁺ використовує як субстрат переважно ФІФ2, але при більш високій концентрації Са²⁺, принаймні в лабораторних умовах, використовує нефосфорильований фосфатидилінозитол. Найбільш важливим ферментом, що активується Са²⁺, є протеїнкіназа С. Цей фермент локалізований переважно в цитозолі до моменту появи там ДАГ і Са²⁺. За присутності обох агентів протеїнкіназа С набуває здатності зв'язуватися з мембраною, вибираючи для цього кластери, збагачені фосфатидилсерином. В активованому стані протеїнкіназа С ефективно фосфорилює білки-мішені по залишках серину і треоніну.