17

Реферат

На тему: «Внутриклеточная сигнализация»

План

1. Экстраклеточные сигналы, первичные мессенджеры

2. Барьер плазматической мембраны

3. Факторы роста

4. Цитокины

5. Вазоактивные агенты

6. Эйкозаноиды

7. Нейротрансмиттеры и нейропептиды

8. Рецепторы

9. Рецепторы - каналы

10. Ацетилхолиновые рецепторы

11. Никотиновые рецепторы. Рецептор - ионный канал

12. Механизм функционирования

13. Основные группы белков

14. Трансмембранная передача сигнала

15. Последовательность событий

16. Рецепторы, сопряженные с G белком (серпетиновые рецепторы)

17. Адреналин

18. Мускариновые рецепторы

19. Усиление в каскадах передачи сигналов

20. Ядерные рецепторы

21. Регуляция активности ядерных рецепторов фосфорилированием

22. Особенности некоторых ядерных рецепторов

1. Экстраклеточные сигналы, первичные мессенджеры

В качестве агониста рецептора клетка может использовать специально синтезированные соединения пептидной природы или использовать свои внутриклеточные метаболиты, которые отсутствуют в экстраклеточной среде. Кофермент АТР и глутамат, действующие экстраклеточно, являются мощными нейротрансмиттерами. Природные экстраклеточные лиганды, которые взаимодействуют с рецепторами и активируют их, называют первичными мессенджерами. Они могут быть подразделены на гормоны, нейротрансмиттеры, цитокины, лимфокины, факторы роста, хемоаттрактанты т.д. Каждый из этих терминов представляет класс агентов, действующих достаточно специфично. Тем не менее, существуют примеры многофункциональности первичных мессенджеров: АТР и глутамат являются нейротрансмиттерами, когда они секретируются в синапсах. Гормоны пищеварительного тракта, такие как гастрин, холецитокинин и секретин в центральной нервной системе осуществляют многообразные функции нейромодуляторов, влияя на высвобождение других нейротрансмиттеров. Соматостатин, идентифицированный первоначально как агент гипоталамуса, подавляющий секрецию гормона роста, также функционирует в центральной нервной системе как нейротрансмиттер и нейромодулятор. Более того, он является паракринным агентом для клеток поджелудочной железы и гормоном для печени. Фактор роста тромбоцитов TGFв действует также как хемоатрактант и как ингибитор роста. Тромбин является фактором роста, но также вовлекается в свертывание крови как активатор функции тромбоцитов.

Гормоны. Химические мессенджеры, которые переносятся посредством кровотока от органа, где они производятся к органу, который они регулируют. Физиологические потребности организма должны контролировать их повторное производство и циркуляцию повсюду в теле. Гормоны можно подразделить на несколько классов: Малые водорастворимые молекулы. Гистамин, адреналин. Пептидные гормоны. К числу пептидных гормонов, которые могут содержать от 3 до

200 аминокислотных остатков, относятся все гормоны гипоталамуса и гипофиза, а также инсулин и глюкагон, секретируемые поджелудочной железой. Факторы роста. В настоящее время известно около 50 белков-лигандов и 14 семейств рецепторов.

Цитокины. Локальные пептидные гормоны, регулирующие парокринную и автокринную функции. Интерлейкины, интерфероны, фактор некроза опухоли (TNF). Липофильные молекулы имеющие рецепторы на поверхности клеток. Простагландины.

Липофильные молекулы, имеющие внутриклеточные рецепторы. Стероидные и тироидные гормоны (гормоны щитовидной железы). Их основное отличие в том, что они способны проникать внутрь клетки и взаимодействовать с внутриклеточными рецепторами.

Нейротрансмиттеры. Несколько семейств, включая (ацетилхолин, ГАМК, допамин) и (вазопрессин, брадикинин).

2. Барьер плазматической мембраны

Гормоны являются главным образом гидрофильными веществами и не способны проникнуть через мембраны. Мембраны клеток, хотя и очень тонкие (3-6 нм), но являются непроницаемыми к ионам и полярным молекулам. Хотя ионы K+ могут достигать диффузионного равновесия на этом расстоянии в воде приблизительно за 5 мсек, им потребуется приблизительно 12 дней (280 час) чтобы продифундировать через фосфолипидный бислой (при одинаковых условиях температуры, и т.д.). Даже к маленьким молекулам типа мочевины, проницаемость мембран приблизительно в 104 раз ниже, чем к воде. Так, для гормона типа адреналина скорость проникновения слишком мала, чтобы ее измерить. За немногими исключениями (стероидные гормоны), гормоны не нуждаются в проникновении в клетки - мишени. Гормоны обычно высвобождаются в малых количествах в местах, удаленных от органов мишеней. При попадании в кровь они разбавляются и подвергаются действию ферментов. Многие из них циркулируют как комплексы со специфическими связывающими белками, что понижает их свободную концентрацию. В результате этого их уровень вблизи клетки-мишени достаточно низкий, и, следовательно, клеточные рецепторы должны обладать высокой аффинностью. Другая важная деталь состоит в том, что хотя клетка-мишень может взаимодействовать с гормоном в течение миллисекунд, но полное время ответа длится от секунд до часов.

3. Факторы роста

Первые публикации о возможности поддержания в живом состоянии фрагментов биологической ткани in vitro появились 90 лет назад, но рутинное культивирование отдельных клеток стало возможным менее 50 лет назад. Успешное поддержание процесса деления клеток млекопитающих зависит от компонентов среды культивирования.

Традиционно среда для культивирования состоит из питательных веществ и витаминов в забуференном солевом растворе. Ключевым компонентом является сыворотка животных, например, эмбриональная бычья сыворотка. Без такой добавки наибольшая часть культивируемых клеток не будут воспроизводить собственную ДНК и, следовательно, не будут пролиферировать. Позже был изолирован полипептид с молекулярной массой 30 кД, секретируемый тромбоцитами, обладающий митогенными свойствами. Он был назван фактором роста произведенным тромбоцитами (PDGF). PDGF является членом семейства факторов роста, содержащего свыше 40 полипептидов: инсулин (5,7 кД), фактор роста эпидермиса (6 кД) и трансферрин (78 кД) и др. Как и в случае с гормонами, факторы роста взаимодействуют с соответствующими рецепторами с высокой степенью аффинности и могут инициировать множественные эффекты: от процессов регуляции роста, дифференцировки и экспрессии генов до инициирования апоптоза. Эффекты факторов роста, в отличие от гормонов, могут продолжаться в течение нескольких дней.

4. Цитокины

Параллельно с открытием факторов роста было идентифицировано несколько экстраклеточных сигнальных белков, взаимодействующих с клетками иммунной системы.

В связи с тем, что они активировали или модулировали пролиферативные свойства клеток этого класса, они были названы иммуноцитокинами. После того, как стало известно, что эти соединения взаимодействуют не только с клетками иммунной системы, их название сократилось до цитокинов. Цитокины включают в себя некоторые факторы роста, такие как интерфероны, фактор некроза опухоли б (TNFб), ряд интерлейкинов, колонии стимулирующий фактор (CSF) и многие другие. Хемокины являются цитокинами, которые инициируют локальное воспаление в результате вовлечения инфламаторных (воспалительных) клеток в процесс хемотаксиса, а далее в процесс активации их функции.

5. Вазоактивные агенты

Физическое повреждение тканей или повреждение, вызванное инфекцией, генерирует воспалительный ответ. Эта реакция является защитным механизмом, в котором специализиированные клетки (в основном лейкоциты), действуя согласованным образом, удаляют причины и продукты разрушения. Этот процесс является комплексным взаимодействием между клетками и рядом экстраклеточных мессенджеров. Среди них присутствуют цитокины, которые индуцируют воспаление (провоспалительные медиаторы) или уменьшают его (антивоспалительные медиаторы). Расширение сосудов и местное увеличение проницаемости сосудов облегчает проникновение лейкоцитов и уменьшает местный отек. Агенты, запускающие этот процесс, включают гистамин (секретируемый тучными клетками), серотонин (секретируемый тромбоцитами) и провоспалительные медиаторы, такие как брадикинин.

6. Эйкозаноиды

Эйкозаноиды являются другим важным семейством вазоактивных соединений. Они являются производными арахидоновой кислоты. Термин эйкозаноиды произошел от греческого слова, означающего число 20, поскольку арахидоновая кислота и многие ее производные содержат 20 углеродных атомов. Сюда входят простагландины, тромбоксаны и лейкотриены. Они являются короткоживущими соединениями и действуют на близких расстояниях в качестве потенциальных паракринных или аутокринных агентов, контролируя многие физиологические и патологические клеточные функции. Лекарственный препарат аспирин обладает противовоспалительными и болеутоляющими свойствами, потому что он ингибирует ключевой фермент пути образования простагландинов.

7. Нейротрансмиттеры и нейропептиды

Нейротрансмиттеры являются также первичными мессенджерами, но их высвобождение и определение в химических синапсах сильно отличается от эндокринных сигналов. В пресинаптической клетке, везикулы, содержащие нейротрансмиттер, высвобождают собственное содержимое локально в очень маленький объем синаптической щели.

Высвобожденный трансмиттер затем диффундирует через щель и связывается с рецепторами на постсинаптической мембране. Диффузия является медленным процессом, но пересечение такой короткой дистанции, которая разделяет при постсинаптические нейроны (0,1 мкм или меньше), происходит достаточно быстро и позволяет осуществлять быстрые коммуникации между нервами или между нервом и мышцей.

В центральной нервной системе глутамат является главным возбуждающим трансмиттером, тогда как ГАМК и глицин ингибирующими. Самая выдающаяся роль ацетилхолина реализуется в нейромышечной передаче, где он является возбуждающим трансмиттером. Известно, что ацетилхолин может оказывать как возбуждающее, так и ингибирующее действие. Это зависит от природы ионного канала, который он регулирует при взаимодействии с соответствующим рецептором.

Органы и ткани как эндокринные железы (пример).

В настоящее время считают, что почти все органы и ткани живого организма секретируют в межклеточное пространство и кровь гормоны и биологически активные соединения, с помощью которых осуществляются взаимодействия, объединяющие клетки и ткани организма в единое целое. Методы молекулярной биологии: клонирование и секвенирование фрагментов ДНК, методы гибридизации мРНК позволяют получать через экспрессию генов новые белковые гормоны и их рецепторы в разных тканях. Сравнительно недавно был открыт новый гормон белой жировой ткани - лептин. Этот гормон был открыт в результате исследования гена ожирения (ген ob), локализованного в проксимальной части хромосомы 6 мыши, и его сцепленности с другими известными маркерами (Рах4) и маркером длины рестрикционных фрагментов (D6Rck13). Далее было показано, что ген ob экспрессируется в основном в адипоцитах белой жировой ткани, которые секретируют синтезируемый ими гормон лептин в кровь. Основным органом мишенью лептина является центральная нервная система, через воздействие на которую лептин снижает аппетит, стимулирует использование липидов в энергетическом обмене и уменьшает запасы жира в жировых депо.

Содержание лептина в циркулирующей крови людей четко коррелирует с массой тела, и поэтому чем больше масса жировой ткани, тем больше она секретирует гормона в кровь. Известно, что ген рецептора лептина человека локализован на хромосоме

Анализ аминокислотной последовательности продемонстрировал наличие гомологичного участка с субъединицей рецепторов интерлейкина-6 и других цитокинов. Идентифицировано три различных варианта рецептора:

1) растворимый рецептор лептина,

2) связанный с мембраной рецептор лептина, который имеет короткий внутриклеточный домен и не способен осуществлять трансдукцию гормонального сигнала,

3) связанный с мембраной рецептор, имеющий длинный внутриклеточный домен и способный передавать гормональный сигнал. Рецептор лептина с длинным цитоплазматическим доменом наиболее активно экспрессируется в гипоталамусе и в меньшей степени в других тканях.

Он содержит последовательности, которые определяют взаимодействие цитоплазматического домена с киназой Януса (JAK - Janus kinase-) и белками активаторами транскрипции (STAT - signal transducers and activators of transcription). Эта форма рецептора путем фосфорилирования активирует белки: STAT-3, STAT-5 и STAT-6.

Связывание лигандов с рецепторами при концентрации 1*10-10 М число молекул агониста в объеме клетки диаметром 12 мкм составит 60 молекул. Обычно рецепторы имеют не очень высокую константу связывания лиганда порядка 10-7 - 10-8 М. Хотя для феромонов она достигает величин до 10-15М. Такая невысокая константа нужна для облегчения прекращения стимуляции.

Однако из-за большого коэффициента усиления в системе сигнализации обычно при связывании агониста с двумя процентами рецепторов происходит максимальная стимуляция функционального ответа. Например, активация инсулином окисления глюкозы в адипоцитах. Возникает вопрос, зачем нужны остальные 98 процентов рецепторов? Возможно, избыток рецепторов необходим для ответа на низкие концентрации гормона, не имеющего высокого сродства к рецептору. Одно из следствий такого взаимодействия агониста с рецептором является необходимость введения отрицательной обратной связи в систему усиления (образования вторичных мессенджеров). Т.к. в случае появления избытка агониста появится избыток вторичных мессенджеров, что уже не будет усиливать ответ, а лишь затягивать его во времени, что может быть не нужно или токсично. В этих случаях должен включаться механизм уборки вторичного мессенджера, например активация фосфодиэстеразы при действии теофиллина. Показано, что для максимальной активации функции необходимо связывание лиганда с небольшим количеством рецепторов. Связывание лиганда с рецептором характеризуется константой диссоциации (Kd) и концетрацией лиганда, вызывающей полумаксимальный ответ (EC50), речь о которых пойдет в следующем разделе.

8. Рецепторы

Восприятие клетками внешних сигналов происходит, в основном, благодаря взаимодействию некоторых факторов (стимулов, лигандов) с определенными рецепторами, расположенными на поверхностной мембране клеток. Несмотря на огромное разнообразие стимулов и рецепторов существует всего несколько универсальных сигнальных систем, передающих информацию различным клеточным органеллам и запускающих определенные физиологические процессы в клетке.

Гормоны связываются с рецепторами высокоспецифичным образом и с высокой аффинностью. Связыванию гормона с рецептором осуществляется за счет слабых взаимодействий - ионных, ван-дер-ваальсовых и гидрофобных взаимодействий.

Специфичность рецептора можно охарактеризовать по его способности распознавать лиганды. Рецептор к инсулину, например, связывает инсулин, но не другие пептидные гормоны. Связывание гормона может выглядеть как простая обратимая реакция

R+H > RH,

которая может быть описана следующим уравнением:

KD = [R][H] / [RH],

где [R] и [H] - концентрации свободного рецептора и гормона (лиганда), соответственно,

[RH] - концентрация комплекса рецептор-гормон.

KD, константа диссоциации комплекса рецептор-лиганд, характеризует сродство рецептора к лиганду.

Уравнение связывания можно дополнить:

[RH] / RT = 1 / (1 + KD / [H])

где RT - сумма свободных и связанных рецепторов: [R] + [RH].

Уравнение подобно уравнению Михаэлиса-Ментен, используемому для анализа ферментативных реакций.

Более низкому значению KD соответствует более высокое сродство рецептора к его лиганду. Значение KD эквивалентно концентрации лиганда, при которой половина рецепторов связана с лигандом.

Как правило, число рецепторов в суспензии клеток или их фрагментов определяют по связыванию с содержащим радиоактивную метку гормоном. Для многих рецепторов, взаимодействующих с гормонами, концентрация лиганда, необходимого для генерации максимального клеточного ответа, меньше значения, необходимого для насыщения всех рецепторных молекул клетки.

Рецепторы, взаимодействующие с гормонами, трудно идентифицировать и очистить, главным образом из-за того, что их относительное содержание очень мало. Поверхность типичной клетки содержит 10000 - 20000 рецепторов к отдельному гормону, что соответствует ?10?6 от общего белка клетки или ?10?4 от белка плазматической мембраны.

Для выделения рецепторов прежде всего следует солюбилизировать интегральные белки мембраны с помощью неионнного детергента. Солюбилизированный таким образом рецептор далее может быть очищен с помощью аффинной хроматографии. В этом случае лиганд соответствующего рецептора химически связывается со специальной матрицей (например, полистироловые шарики). Далее грубая фракция мембранных белков пропускается через такую колонку. И только рецептор свяжется со своим лигандом.

Тем не менее, для многих гормонов количество рецепторов на клеточной поверхности слишком мало для того, чтобы получать их с использованием аффинной хроматографии. Поэтому ключевые рецепторные белки могут быть получены с помощью ДНК клонирования и других рекомбинантных ДНК методов.

9. Рецепторы - каналы

В настоящее время установлено, что весьма важным моментом трансмембранной передачи сигналов является изменение транспорта и внутриклеточной концентрации различных ионов. Одной из основных систем, приводящих к изменению внутриклеточной концентрации ионов, являются селективные ионные каналы биомембран, представляющие собой интегральные мембранные белки, способные при определенных внешних воздействиях (изменение потенциала на мембране, действие медиатора или гормона) избирательно менять проницаемость мембраны для конкретного вида ионов.

10. Ацетилхолиновые рецепторы

Нейротрансмиттер ацетилхолин высвобождается из везикул в пресинаптических нервных терминалях и связывается как с никотиновыми, так и мускариновыми рецепторами на поверхности клетки. Эти два типа ацетихолиновых рецепторов значительно отличается как по структуре, так и по функциям. Ацетилхолиновый никотиновый рецептор является одновременно и ионным каналом, т.е. относится к рецепторам-каналоформерам, тогда как ацетилхолиновый мускариновый рецептор относится к классу серпентиновых рецепторов, осуществляющих передачу сигнала через гетеротримерные G- белки.

11. Никотиновые рецепторы. Рецептор - ионный канал

Наиболее хорошо изученным рецептором-ионным каналом является ацетилхолиновый никотиновый рецептор .Свое название никотиновый ацетилхолиновый рецептор получил из-за его сродства к никотину. Никотин связывается непосредственно с б-субьединицей рецептора и стимулирует открывание неспецифического катионного канала, сформированного различными комбинациями б2, в, г, д и е субьединиц.

В нейромышечной системе ацетилхолин действует через никотиновые холинергические рецепторы и вызывает сокращение скелетной мускулатуры. Он также передает сигнал внутри нервной системы. Эти рецепторы являются неспецифическими ионными каналами, которые проводят Na+ и K+. Антагонистом для никотиновых рецепторов является тубокурарин. Никотиновые рецепторы являются членами суперсемейства мембранных белков, которые включают ионотропные рецепторы для серотонина (5- гидрокситриптамин, 5-НТ), для глицина и г-аминомасляной кислоты (ГАМК).

Глициновые и ГАМК рецепторы являются анионными каналами. Все они обладают одинаковыми свойствами - один и тот же белок является и рецептором и ионным каналом.

В специализированных тканях никотиновый рецептор представлен в огромных количествах, , поэтому он является наиболее изученным. Так, например, при нейромышечной передаче события развиваются следующим образом. Ацетилхолин, секретируемый из пресинаптической мембраны в синаптическую щель, взаимодействует с рецепторами постсинаптической мембраны. Это позволяет Na+ входить через никотиновые каналы, вызывая, таким образом, локальную деполяризацию, которая приводит, в конечном счете, к сокращению мышцы. Тирозинкиназные (ТК) рецепторы играют ведущую роль в процессах роста, развития и дифференцировки клеток. Их лиганды-факторы роста (GF) иногда называют митогенами, потому что они стимулируют рост клетки и ее прохождение через митоз. GF представляют собой полипептиды, состоящие из 50-100 аминокислот. Каждый тип GF связывается с внеклеточным доменом его собственного специфического рецептора и наоборот, не связывается с рецепторами для других факторов роста. Этот экстраклеточный домен рецептора может рассматриваться как карман, в который соответствующий фактор роста "вставляется" как ключ в замок. Так, эпидермальный фактор роста (EGF) может связаться на поверхности клеток только с EGF рецептором, но не с рецептором к PDGF (фактор роста тромбоцитов), который может также быть экспонирован на поверхности этих клеток.

Тирозинкиназный рецептор состоит из четырех основных доменов. Экстраклеточный домен участвует в связывании лиганда и получении внешнего сигнала. Связывание агониста вызывает конформационные изменения, которые активируют цитоплазматический тирозинкиназный домен (290 аминокислот). Этот домен определяет биологический ответ и передает сигнал внутрь клетки. Трансмембранный домен однократно пронизывает мембрану и соединяет вне- и внутриклеточные домены.

На основании сходства структурных элементов в настоящее время выделяют 14 различных семейств тирозикиназных рецепторов.

12. Механизм функционирования

Связывание лиганда > димеризация > активация тирозинкиназы > аутофосфорилирование С-концевых остатков тирозина > образование участков для связывания белков-субстратов, содержащих SH2- SH3- домены (src homology domain). SH2- SH3- домены опосредуют белок-белковые взаимодействия в сигнальных путях, активируемых тирозинкиназами. SH2- компактный глобулярный домен (100 аминокислотных остатков), взаимодействует с белками, содержащими фосфорилированный остаток тирозина в определенной аминокислотной последовательности. SH3- компактный глобулярный домен (60 аминокислотных остатков), взаимодействует с белками, содержащими пролин и гидрофобные остатки.

13. Основные группы белков

SH2- SH3- домены: I-я группа (белки, имеющие ферментативную активность или известные функции):

1. Цитоплазматические тирозинкиназы семейства Src, Abl, Csk (SH2-домен и SH3- домен).

2. Фосфолипаза Сг (два SH2-домена и SH3- домен).

3. GAP-120 белок, активирующий ГТФазу ras белка (SH2-домен и SH3- домен).

4. Тирозинфосфатазы PTP1C (два SH2-домена) и PTP1D (SH-PTP2/SYP) (два SH2- домена).

5. Регуляторная субъединица p-85 фосфатидилинозитол-3-киназы (два SH2-домена и SH3- домен). II-я группа (адаптерные белки, состоящие исключительно из SH2- SH3- доменов: Белок Shc (SH2-домен), белок Nck (SH2-домен, три SH3-домена), белок Crk (SH2-домен, два SH3-домена), Grb2 (growth-factor-receptor-binding protein), связывающийся с рецепторами ростовых факторов (SH2-домен, два SH3-домена).

14. Трансмембранная передача сигнала

Связывание фактора роста с экстраклеточным доменом его рецептора - только начало сигнального процесса. Связывание лиганда меняет конформацию рецептора. Как уже отмечалось, рецепторы факторов роста имеют экстраклеточный лиганд-связывающий N- концевой домен (эктодомен), соединенный одиночным трансмембранным доменом со специализированным C-концевым доменом-ферментом в цитоплазме. Последний становится активным всякий раз, когда экстраклеточный домен рецептора связывает лиганд - GF. В случае многих GF рецепторов, этот цитоплазматический домен-фермент проявляет протеинкиназную активность.

По определению киназы - это ферменты, которые присоединяют фосфатные группы к их субстратам. Протеинкиназа переносит гаммафосфат от ATP на белок - субстрат, производя, таким образом, акт фосфорилирования этого белка. В случае GF рецепторов, фосфорилируются тирозиновые остатки белка-субстрата, который взаимодействует с, или лежит вблизи, цитоплазматического домена GF рецептора. Соответственно, эти рецепторы называют рецепторами, имеющими протеинтирозинкиназную активность (чтобы отличить их от многих других протеинкиназ, которые выполняют другие сигнальные функции и прикрепляют фосфаты к сериновым или треониновым остаткам белков).

15. Последовательность событий

GF лиганд связывается с экстраклеточной областью его рецептора. Это приводит к активации тирозинкиназного домена в цитоплазматическом конце рецептора.

Тирозинкиназа становится активной и фосфорилирует ряд цитоплазматических субстратных белков, которые в свою очередь становятся активными или изменяют функцию вследствие того, что они стали фосфорилированными. Они затем посылают сигналы далее в клетку таким образом, что это в конечном счете приводит к росту клетки и делению. Заметим, что самому GF лиганду нет необходимости физически транспортироваться в клетку для того, чтобы произошла трансмембранная передача сигнала. Все дальнейшие события передачи сигнала к его конечной мишени в ядре также осуществляются, не смотря на то, лиганд остается во внеклеточном пространстве.

Существует несколько механизмов активации тирозиновых рецепторов. Исходно молекулы (пара которых и составляет рецептор) могут диффундировать латерально в плоскости клеточной мембраны. Связывание GF способствует димеризации таких молекул и формированию рецептора. Часто сам GF имеет два рецептор-связывающих центра, выполняя функцию мостика между двумя субъединицами, такой мостик стабилизирует образовавшуюся пару. Димеризация экстраклеточных доменов в свою очередь стягивает цитоплазматические домены обеих субъединиц, приводя их в тесный контакт. Это позволяет тирозинкиназе одной рецепторной молекулы фосфорилировать киназный домен другой, что вызывает изменение его трехмерной структуры - активацию.

Таким образом, связывание лиганда приводит к тому. что обе половинки рецептора фосфорилируют и активируют друг друга. Как только они активируются, они переходят к фосфорилированию множества близлежащих цитоплазматических субстратных белков, которые затем передают сигнал далее в клетку.

После связывания лиганда многие рецепторы путем эндоцитоза убираются внутрь клетки (интернализуются в эндосомы) Вначале на поверхности мембраны происходит образование окаймленных ямок, которые продолжают впячиваться внутрь клетки и превращаются в окаймленные пузырьки. Потеряв окаймляющий чехол, эти пузырьки сливаются с другими, образуя промежуточные пузырьки с гладкой поверхностью, называемыми эндосомами, которые в свою очередь сливаются с лизосомами.

Биологическое значение процесса интернализации EGF-рецепторных комплексов в литературе трактуется неоднозначно. Некоторые авторы рассматривают его как простой механизм десенситезации клетки по отношению к действующему фактору. Однако результаты всесторонних исследований функционального состояния интернализованного рецептора противоречат этой концепции. К настоящему времени получены морфологические и биохимические доказательства того, что интернализованный рецептор EGF сохраняет свою связь с лигандом вплоть до попадания в лизозомы.

16. Рецепторы, сопряженные с G белком (серпетиновые рецепторы)

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 .

17. Адреналин

Лиганд эпинефрин, также известный как адреналин, освобождается надпочечниками при стрессе. Высвобожденный адреналин распространяется повсюду с током крови и адсорбируется на определенных рецепторах на поверхности клеток в различных тканях тела, вызывая реакцию, которую сравнивают с ощущением “борьбы и полета”. Эта реакция увеличивает частоту сердечных сокращений, уменьшает отток крови к внутренним органам, увеличивает приток крови к скелетным мышцам, увеличивает уровень глюкозы в крови, заставляет печень и клетки мышц расщеплять гликоген и вырабатывать глюкозу. Как адреналин вызывает все эти ответы? Действуя как лиганд, он связывается с рецептороми, экспонированными на поверхности разнообразных типов клеток повсюду в организме. Эти рецепторы называются в-адренергическими и являются серпентиновыми. Как и в случае с рецепторами фактора роста, адреналин не проникает в клетку. Активность серпентиновых рецепторов не зависит от димеризации рецепторов.

18. Мускариновые рецепторы

Семейство мускариновых рецепторов впервые было обнаружено благодаря их способности связывать алкалоид мускарин, выделенный из ядовитых грибов (Amanita muscaria). Мускариновые рецепторы были изначально разделены фармакологически на М1 и М2 типы, на основании различия в их чувствительности к пирензепину, оказавшемуся селективном антагонистом М1 рецептора. Показано, что стимуляция М1 рецептора активирует фосфолипазу С, приводя к высбождению вторичного мессенджера инозитол 3-фосфата и последующей мобилизации внутриклеточного кальция. Показано также, что ингибирование М2 рецептора подавляет активность аденилатциклазы, приводя к уменьшению внутриклеточного уровня сАМР. Мускариновые рецепторы можно разбить на подтипы в соответствии с их способностью мобилизовать внутриклеточный кальций (m1,m3,m5) или ингибировать аденилатциклазу (m2,m4). Подтипы m1, m3 и m5 рецептора активируют фосфолипазы А2, С и D, тирозинкиназу и вход кальция. Подтипы M2, M4 также увеличивают активность фосфолипазы А2.

В передаче сигнала с в-адренергического рецептора участвует белки, названные (по причинам, которые станут ясными ниже) G белками. Следует отметить, что NH2 концевой участок рецепторов, связывающих G-белки, находится на экстраклеточной стороне мембраны и содержит потенциальные места гликозилирования. Существенная роль гликолизирования в связывании лиганда была показана посредством мутационного анализа мускариновых рецепторов. С-концевой участок локализован на цитоплазматической стороне плазматической мембраны и содержит высококонсервативные цистеиновые остатки, характерные для всего семейства G-белок связывающих рецепторов.

В неактивном состоянии G белки обычно находятся вблизи рецептора. Фактически они представляют собой комплекс, сформированный из 3-х различных субъединиц, названых б, в и г. До активации все три субъединицы связаны вместе. Когда рецептор активируется присоединением лиганда, на б субъединице происходит обмен GDP на GTP (откуда и термин G белок). Два состояния G белка (on или off) определяются гуаниновым нуклеотидом, который он в данный момент связывает. Неактивный G белок связывает GDP, активный связывает GTP. Будучи в активном состоянии, G белок передает сигналы далее в клетку. Однако G белок остается в активном состоянии только в течение короткого периода времени (секунды или меньше), после чего он дефосфорилируется его собственной GTP-азой. Этот гидролиз представляет механизм отрицательной обратной связи, который обеспечивает кратковременность нахождения G белка в активном состоянии. В последние годы выяснены механизмы участия вг субъединицы G белка в регуляции активности К+ и Са2+ каналов. показана схема регуляции вг субъединицей К+ канала плазматической мембраны сердечной клетки. вг субъединица участвует также в механизме десенситизации рецепторов.

19. Усиление в каскадах передачи сигналов

В течение краткого периода своей активности аденилатциклаза производит несколько сотен молекул cAMP. После того, как произведенные молекулы сАМР 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 б субъединиц G белков. Каждая из них в свою очередь будет активировать аденилатциклазу, которая в свою очередь синтезирует сотни молекул сАМР. сАМР активирует протеинкиназу А, которая модифицирует сотни молекул-мишений в клетке.

20. Ядерные рецепторы

Ядерные рецепторы представляют собой ДНК-связывающие транскрипционные факторы с консервативной доменной организацией, активность которых контролируется липофильными лигандами, фосфорилированием и взаимодействиями с другими белками.

Большинство ядерных рецепторов локализовано (независимо от наличия лиганда) почти исключительно в клеточном ядре, тогда как основная часть рецепторов стероидов в отсутствие лиганда может находиться в цитоплазме. Независимо от типа рецептора соответствующий лиганд вызывает внутриядерное перераспределение рецепторов между нуклеоплазмой и хроматином. Рецепторы стероидов способны связываться в цитоплазме с белками теплового шока (Hsp), которые препятствуют транспорту рецептора через ядерную мембрану.

21. Регуляция активности ядерных рецепторов фосфорилированием

Ядерные рецепторы могут быть субстратами для многих протеинкиназ, что обеспечивает контроль активности рецепторов со стороны других регуляторных факторов, включая ауто-, пара- и эндокринные факторы и факторы регуляции клеточного цикла. Фосфорилируемые остатки преимущественно локализуются в А/В-домене рецепторов. Рецепторы стероидных гормонов, такие как GR, являются гетерогенными по характеру фосфорилирования.

Фосфорилируемые аминокислотные остатки рецепторов узнаются разными протеинкиназами: циклинзависимыми киназами (CDK), митоген активируемыми протеинкиназами (МАРК), казеинкиназой II (CKII), кальмодулинзависимой протеинкиназой II (СаКМКII), киназой 3 гликогенсинтазы (GSK3), ДНК-зависимой протеинкиназой (DNA-PK) и др. Фосфорилирование по разным сайтам ведет к разным (даже противоположным) изменениям функциональной активности рецепторов.

22. Особенности некоторых ядерных рецепторов

Среди ядерных рецепторов наиболее изученными являются рецепторы активаторов пролиферации пероксисом (PPARs). Эти белки играют ключевую роль в регуляции энергообмена и липидного обмена. Также известно, что ряд противодиабетических, гиполипидемических и противовоспалительных лекарственных препаратов оказывают свое действие через PPARs. PPARб интенсивно экспрессируется в сердце, печени, почках, кишечнике, буром жире, т.е. в тканях с высокой скоростью в-окисления жирных кислот.

Экспрессия PPARб контролируется стрессорными воздействиями, глюкокортикоидами, инсулином. PPARв экспрессируется более широко, включая мозг, почки, кишечник, клетки Сертоли. Изоформы PPARг экспрессируются тканеспецифично: PPARг1 много в селезенке, кишечнике, белом жире, а PPARг2 - предпочтительно в белом и буром жирах. PPARб активируется жирными кислотами, эйкозаноидами, карбапростациклином, нестероидными противовоспалительными препаратами, лейкотриеном В4 (LTВ4). PPARв и PPARг активируются общими для всех PPAR лигандами (докозагексеновой кислотой, некоторыми простагландинами). PPARг специфически активируется тиазолидиндионами - группой противодиабетических лекарств, метаболитом простагландинов - простагландином J2 (PGJ2), полиненасыщенными жирными кислотами и нестероидными противовоспалительными препаратами (например, ибупрофен). Кроме низкомолекулярных лигандов регуляторами активности PPARs могут служить протеинкиназы МАРК. Члены группы ROR функционируют как мономеры. RORв экспрессируются главным образом в нейрональной ткани, связанной с сенсорной, нейроэндокринной и лимбической системами. RORг экспрессируется преимущественно в скелетных мышцах, печени, почках, адипоцитах. Экспрессия RORб распространена значительно шире: в структурах мозга, гипофизе, адипоцитах, печени, хряще, коже, семенниках. Полагают, что природным высокоаффинным лигандом ROR является гормон эпифиза мелатонин.

Высокоэффективными лигандами ROR являются противовоспалительные препараты группы тиазолидиндионов.

LXRб экспрессируются преимущественно в печени, а также в кишечнике, почках, селезенке. LXRв экспрессируется повсеместно. Селективными активаторами служат оксистеролы. Оксистеролы являются промежуточными продуктами в синтезе стероидов и желчных кислот. В адипоцитах и перитонеальных макрофагах экспрессируются LXRб и LXRв, участвующие в регуляции обмена липидов.

FXR активируется высокими концентрациями фарнезола промежуточного продукта синтеза холестерина. Сильными индукторами FXR являются желчные кислоты . PXR экспрессируются преимущественно в печени и кишечнике. Активаторами являются антибиотик рифампицин, агонисты и антагонисты глюкокортикоидов и других стероидных гормонов. Через PXR эти лиганды стимулируют экспрессию генов семейства цитохромов Р450 3А, участвующих в гидроксилировании стероидных лекарств и других ксенобиотиков. Природные высокоаффинные лиганды PXR пока не выявлены.

Известные лиганды для CAR рецепторов (андростанол, андростерол) не повышают, а снижают транскрипционную активность рецептора, вызывают диссоциацию комплексов рецептора с коактиватором.

HNF4б интенсивно экспрессируется в печени и ряде других органов, в отличие от HNF4г, который в печени не экспрессируется. Лигандами для HNF4б служат ацил-СоА- тиоэфиры длинноцепочечных жирных кислот.

Такие соединения как 9-цис-ретиноевая кислота, нециклические терпеноиды (например, промышленный загрязняющий агент - метопрен или продукт распада хлорофилла - фитановая кислота) специфически связывают и активируют рецепторы RXR (б, в, г). RXR может действовать в виде гомодимеров RXR /RXR или гетеродимеров с другими ядерными рецепторами. Известно, что разрушение гена RXRб приводит к дефектам морфогенеза плаценты, сердца, глаза и гибели эмбрионов. Разрушение гена RXRв сопровождается нарушениями сперматогенеза и преждевременным морфогенезом альвеол легких. Повреждение гена RXRг приводит к нарушению функций гиппокампа, связанных с ориентацией в пространстве и памятью.

Рецепторы группы TR2 функционируют преимущественно как репрессоры транскрипции, взаимодействуя с ДНК как гомо- или TR2 TR4-гетеродимеры. Эти рецепторы получили свое название благодаря высокому уровню их экспрессии в семенниках.

Рецепторы TLX экспрессируются преимущественно в эмбриональном переднем мозге. COUP-TF выступают в роли транскрипционных репрессоров, тормозящих активирующее действие многих ядерных рецепторов. Рецепторы группы ERR широко представлены в организме, взаимодействуют с ДНК в виде мономеров и гомодимеров.

Рецепторы стероидных гормонов GR, MR, PR и AR взаимодействуют с белком теплового шока Hsp90, экранирующим ДНК-связывающий домен (DBD) рецепторов. Гормон-лиганд вызывает отделение Hsp90.

Рецепторы подсемейства NGFI-B экспрессируются в гипофизе, надпочечниках, печени, но в большей степени в клетках нервной системы и составляют часть немедленного ответа на такие стимулы, как ростовые факторы и деполяризация. Ядерная локализация, связывание с ДНК и транскрипционная активность NGFI-B могут регулироваться фосфорилированием. SF1 экспрессируется преимущественно в стероидогенных тканях, а также в гипоталамусе и гипофизе. Транскрипционная активность этого рецептора регулируется фосфорилированием, например, под действием гормональных стимулов, усиливающих образование сАМР.

GCNF экспрессируется преимущественно в половых клеках и играет важную роль в эмбриогенезе.

Рецепторы DAX-1 и SHP отличаются от других рецепторов отсутствием типичного домена DBD. DAX-1 узнает шпильковые структуры ДНК, а SHP не взаимодействует с ДНК. DAX-1 экспрессируется в гипоталамусе, гипофизе, надпочечниках и гонадах.