Виды мембраносвязанных рецепторов

1. Рецепторы, обладающие каталитической активностью – при взаимодействии лиганда с рецептором активируется внутриклеточная часть (домен) рецептора, имеющий тирозинкиназную или тирозинфосфатазную или гуанилатциклазную активность. По этому механизму действуют СТГ, инсулин, пролактин, интерлейкины, ростовые факторы, интерфероны α, β, γ.

2. Каналообразующие рецепторы – присоединение лиганда к рецептору вызывает открытие ионного канала на мембране. Таким образом действуют нейромедиаторы (ацетилхолин, глицин, ГАМК, серотонин, гистамин, глутамат);

3. Рецепторы, связанные с G-белками – передача сигнала от гормона происходит при посредстве G-белка. G-белок влияет на ферменты, образующие вторичные мессенджеры (посредники). Последние передают сигнал на внутриклеточные белки. Большинство гормонов действуют по данному механизму. К третьему виду относятся аденилатциклазный и кальций-фосфолипидный механизмы.

 

Величина эффекта гормона зависит от концентрации гормонального рецептора, поступающего к клеткам-мишеням, от числа специфических рецепторов, степени их сродства и избирательности к гормону. На величину эффекта может влиять действие других гормонов, как антагонистическое (инсулин и глюкокортикоиды разнонаправленно действуют на поступление глюкозы в клетку), так и потенцирующее (глюкокортикоиды усиливают влияние катехоламинов на сердце и мозг). Изучение функционирования рецепторного аппарата актуально в клинике, особенно при сахарном диабете, вызванном рецепторной инсулинорезистентностью, при синдроме тестикулярной феминизации или определении гормон-чувствительных опухолей молочной железы.

Гормоны оказывают свое действие, связываясь со специфическими рецепторами, располагающимися либо на поверхности мембраны клетки, либо в цитозоле. Связывание с рецепторами - обязательный этап в действии гормона. Белково-пептидные гормоны и гормоны-производные аминокислот являются гидрофильными веществами и проникновение их через плазматическую мембрану, состоящую из липидного бислоя, затруднено или невозможно. Рецепторы таких гормонов находятся на наружной поверхности плазматической мембраны. Гормоны связываются с рецепторными белками тех участков мембран клеток-мишеней, которые соприкасаются с кровью, что в свою очередь активирует ферментную систему, отвечающую за образование вторичного (внутриклеточного) посредника.

Рецепторы, находящиеся на клеточной мембране. Гормоны (первичные посредники), связываясь с рецепторами на поверхности клеточной мембраны, образуют комплекс гормон-рецептор, который трансформирует сигнал первичного посредника в изменение концентрации особых молекул внутри клетки - вторичных посредников. Вторичными посредниками могут быть следующие молекулы: цАМФ, цГМФ, ИФ3, ДАТ, Са2+, NO.

В этом случае гормон не проникает в клетку, а взаимодействует с рецептором на поверхности мембраны. Далее возможны два варианта событий:

1.Первый вариант — с рецептором связан фермент, который из специфического субстрата образует второй посредник. Второй посредник далее связывается со своим рецептором в клетке. Чаще всего рецептором посредника является протеинкиназа, которая за счет фосфата АТФ, фосфорилирует белки. В результате изменяются их свойства, возникает биохимический и физиологический эффект.

2.Второй вариант — рецептор связан не с ферментом мембраны, а с ионным каналом. При связывании гормона с рецептором, канал открывается, ион поступает в клетку и выполняет функции второго посредника. Хорошо изученными вторыми посредниками являются циклические нуклеотиды (цАМФ, цГМФ) и Са2+.

мембранный механизм - когда гормон связывается с рецептором на поверхности наружной мембраны клетки-мишени;

Гормоны обладающие мембранным механизмом действия:

1) все белковые и пептидные гормоны, а также амины (адреналин, норадреналин).

Гормоны оказывают влияние на клетки-мишени.

Клетки-мишени - это клетки, которые специфически взаимодействуют с гормонами с помощью специальных белков-рецепторов. Эти белки-рецепторы располагаются на наружной мембране клетки, или в цитоплазме, или на ядерной мембране и на других органеллах клетки.

Биохимические механизмы передачи сигнала от гормона в клетку-мишень.

Любой белок-рецептор состоит, минимум из двух доменов (участков), которые обеспечивают выполнение двух функций: 1) узнавание гормона; 2) преобразование и передачу полученного сигнала в клетку. Один из доменов белка-рецептора имеет в своем составе участок, комплементарный какой-то части сигнальной молекулы. Процесс связывания рецептора с сигнальной молекулой похож на процесс образования фермент-субстратного комплекса и может определяется величиной константы сродства. Между молекулой гормона и рецептором формируются электростатические и гидрофобные взаимодействия. При связывании рецептора с гормоном происходят конформационные изменения белка-рецептора и комплекс сигнальной молекулы с белком-рецептором активируется.

Механизмы действия гормонов на клетки-мишени В зависимости от строения гормона существуют два типа взаимодействия. Если молекула гормона липофильна, (например, стероидные гормоны), то она может проникать через липидный слой наружной мембраны клеток-мишеней. Если молекула имеет большие размеры или является полярной, то ее проникновение внутрь клетки невозможно. Поэтому для липофильных гормонов рецепторы находятся внутри клеток-мишеней, а для гидрофильных - рецепторы находятся в наружной мембране.

Для получения клеточного ответа на гормональный сигнал в случае гидрофильных молекул действует внутриклеточный механизм передачи сигнала. Это происходит с участием веществ, которых называют вторыми посредниками. Молекулы гормонов очень разнообразны по форме, а "вторые посредники" - нет. Надежность передачи сигнала обеспечивает очень высокое сродство гормона к своему белку-рецептору.

Что такое посредники, которые участвуют во внутриклеточной передаче гуморальных сигналов?

Это циклические нуклеотиды (цАМФ и цГМФ), инозитолтрифосфат, кальций-связывающий белок - кальмодулин, ионы кальция, ферменты, участвующие в синтезе циклических нуклеотидов, а также протеинкиназы - ферменты фосфорилирования белков. Все эти вещества участвуют в регуляции активности отдельных ферментных систем в клетках-мишенях. Существует два главных способа передачи сигнала в клетки-мишени от сигнальных молекул с мембранным механизмом действия:

1) аденилатциклазная (или гуанилатциклазная) системы;2) фосфоинозитидный механизм.

Аденилатциклазная система.

Циклический АМФ (циклоАМФ, цАМФ) образуется в клетке, когда действуют гормоны гипофиза (ТТГ, ЛГ, МСГ, ФСГ. АКТГ), кальцитонин, соматостатин, глюкагон, паратгормон, адреналин (через α2- и β-адренорецепторы), вазопрессин (через V2-рецепторы). Этапы передачи сигнала:

1) Взаимодействие лиганда с рецептором приводит к изменению конформации последнего.

2)Это изменение передается на G-белок, который состоит из трех субъединиц (α, β и γ), α-субъединица связана с ГДФ.В составе G-белков α-субъединицы бывают 2х типов по отношению к аденилатциклазе: активирующие αS и ингибирующие αI.

3)В результате взаимодействия с рецептором β- и γ-субъединицы отщепляются, одновременно на α-субъединице ГДФ заменяется на ГТФ.

4)Активированная таким образом αS-субъединица стимулирует аденилатциклазу, которая начинает синтез цАМФ.

Если в действо была вовлечена αI-субъединица – она ингибирует аденилатциклазу, все останавливается.

5) Циклический АМФ – вторичный мессенджер – в свою очередь, взаимодействует с протеинкиназой А и активирует ее. Протеинкиназа А фосфорилирует ряд ферментов, среди которых киназа фосфорилазы гликогена, гликогенсинтаза, ТАГ-липаза.

6)Наработка цАМФ продолжается некоторое время, пока α-субъединица, которая является ГТФ-азой, отщепляет фосфат от ГТФ.

7) Как только ГТФ превратился в ГДФ, то α-субъединица инактивируется, теряет свое влияние на аденилатциклазу, обратно соединяется с β- и γ-субъединицами. Все возвращается в исходное положение.

8)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 АЦ-механизма произойдет быстро – в клетке активируются соответствующие процессы.

- если гормона в крови мало – для клетки наступает некоторая пауза, изменения метаболизма нет. Механизм наработки цАМФ связан с активацией фермента аденилатциклазы и называется аденилатциклазный механизм.

Гормоны, для которых циклический АМФ служит в качестве вторичного медиатора:

Гормон Мишень: орган/ткань Типичное действие

Адренокортикотропный гормон Кора надпочечников Продуцирование кортизола

Кальцитонин Кости Концентрация кальция в сыворотке крови

Катехоламины (b-адренергические) Сердце ЧСС, сократимость миокарда

Хорионический гонадотропин Яичники, семенники Продуцирование половых гормонов

Фолликулостимулирующий гормон Яичники, семенники Гаметогенез

Глюкагон Печень Гликогенолиз, высвобождение глюкозы

Лютеинизирующий гормон Яичники, семенники Продуцирование половых гормонов

Рилизинг-фактор лютеинизирующего гормона Гипофиз Высв-е лютеинизирующего гормона

Меланоцитстимулирующий гормон Кожа (меланоциты) Пигментация

Гормон паращитовидных желез Кости, почки Концентрация Са и Р в сыворотке крови

Простациклин, простагландин Тромбоциты Агрегация тромбоцитов

Тиреотропный гормон Щитовидная железа Продуцирование и высвобождение Тз и Т 4

Рилизинг-фактор тиреотропного гормона Гипофиз Высвоб-е тиреотропного гормона

Вазопрессин Почки Концентрация мочи

По этому механизму, который получил название кальций-фосфолипидный механизм, действуют вазопрессин (через V1-рецепторы), адреналин (через α1-адренорецепторы), ангиотензин II.

Принцип работы этого механизма совпадает с предыдущим, но вместо аденилатциклазы мишеневым ферментом для α-субъединицы служит фосфолипаза С. Фосфолипаза С расщепляет мембранный фосфолипид фосфатидилинозитолдифосфат (ФИФ2) до вторичных мессенджеров инозитолтрифосфата (ИФ3) и диацилглицерола (ДАГ).

Этапы передачи сигнала:

1)Взаимодействие гормона с рецептором приводит к изменению конформации последнего.

2) Это изменение передается на G-белок, который состоит из трех субъединиц (αP, β и γ), α-субъединица связана с ГДФ.

3)В результате взаимодействия с рецептором β- и γ-субъединицы отщепляются, одновременно на αP-субъединице ГДФ заменяется на ГТФ.

4)Активированная таким образом αP-субъединица стимулирует фосфолипазу С, которая начинает расщепление ФИФ2 до двух вторичных мессенджеров – ИФ3 и ДАГ.

5)Инозитолтрифосфат открывает кальциевые каналы в эндоплазматическом ретикулуме, что вызывает увеличение концентрации ионов Cа2+. Диацилглицерол совместно с ионами Са2+ 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.

6)Протеинкиназа С фосфорилирует ряд ферментов и в целом участвует в процессах клеточной пролиферации. Накопление ионов Са2+ в цитоплазме вызывает активацию определенных кальций-связывающих белков (например, кальмодулина).

7)Гидролиз ФИФ2 продолжается некоторое время, пока αP-субъединица, которая является ГТФ-азой, отщепляет фосфат от ГТФ.

8)Как только ГТФ превратился в ГДФ, то αP-субъединица инактивируется, теряет свое влияние на фосфолипазу C, обратно соединяется с β- и γ-субъединицами. Все возвращается в исходное положение.

9) 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.

Гуанилатциклазный механизм пока изучен недостаточно подробно, но известно, что по нему работает атриопептин (предсердный натрийуретический пептид), оксид азота (NO) и другие, пока малоизученные, соединения.

Гуанилатциклазный механизм передачи сигнала в общих чертах схож с аденилатциклазным: после появления какой-либо сигнальной молекулы сигнал воспринимается ферментом гуанилатциклазой и далее передается при помощи вторичного мессенджера цГМФ. Он воздействует на протеинкиназу G, которая фосфорилирует определенные белки, чем изменяет активность клетки.Но, в отличие от аденилатциклазы, данный фермент имеет четыре разновидности, три из которых связаны с мембраной, четвертый – цитозольный:

мембраносвязанные формы гуанилатциклазы работают как рецепторы, обладающие каталитической активностью.

цитозольный фермент является димером и содержит в своем составе гем, он непосредственно взаимодействует в цитозоле с сигнальной молекулой (например, оксидом азота). Система, генерирующая цГМФ как вторичный посредник, сопряжена с гуанилатциклазой. Этот фермент катализирует реакцию образования цГМФ из ГТФ (подобно аденилатциклазе). Молекулы цГМФ могут активировать транспортные системы мембран клеток или активируют цГМФ-зависимую протеинкиназу G, которая участвует в фосфорилировании других белков в клетке. Циклические нуклеотиды запускают каскады реакций аденилатциклазного или гуанилатциклазного механизмов регуляции активности ферментов. Одна молекула гормона, активирующая рецептор, может «включать» несколько G-белков. Каждый из них в свою очередь активирует несколько молекул аденилатциклазы с образованием тысяч молекул цАМФ или цГМФ. Образующийся вторичный посредник усиливает сигнал в тысячу раз. Суммарное усиление сигнала равно 106 – 107 раз. Снятие гормонального сигнала достигается уменьшением концентрации вторичного посредника. Реакции превращения цАМФ или цГМФ в неактивные метаболиты АМФ или ГМФ катализируют ферменты фосфодиэстеразы. К настоящему времени получено много данных, что цГМФ принадлежит самостоятельная роль в регуляции функции клеток. В частности, в почках и кишечнике он контролирует ионный транспорт и обмен воды, в сердечной мышце служит сигналом релаксации и т.д. Гуанилатциклаза открыта во многих органах (сердце, легкие, почки, надпочечники, эндотелий кишечника, сетчатка и др.), что свидетельствует о широком ее участии в регуляции внутриклеточного метаболизма, опосредованном через цГМФ. Мембраносвязанный фермент активируется через соответствующие рецепторы короткими внеклеточными пептидами в частности гормоном предсердным натрийуретическим пептидом.

Инозитолтрифосфат - это вещество, которое является производным сложного липида - инозитфосфатида. Оно образуется в результате действия специального фермента - фосфолипазы "С", который активируется в результате конформационных изменений внутриклеточного домена мембранного белка-рецептора. Функционирование инозитолфосфатной системы трансмембранной передачи сигнала обеспечивают: R (рецептор), фосфолипаза С, Gplc - белок, активирующий фосфолипазу С, белки и ферменты мембран и цитозоля. Этот фермент гидролизует фосфоэфирную связь в молекуле фосфатидил-инозитол-4,5-бисфосфата и в результате образуются диацилглицерин и инозитолтрифосфат.

Известно, что образование диацилглицерина и инозитолтрифосфата приводит к увеличению концентрации ионизированного кальция внутри клетки. Это приводит к активации многих кальций-зависимых белков внутри клетки, в том числе активируются различные протеинкиназы. И здесь, как и при активации аденилатциклазной системы, одной из стадий передачи сигнала внутри клетки является фосфорилирование белков, которое в приводит к физиологическому ответу клетки на действие гормона (Пример – АКТГ). В работе фосфоинозитидного механизма передачи сигналов в клетке-мишени принимает участие специальный кальций-связывающий белок - кальмодулин. Это низкомолекулярный белок (17 кДа), на 30 % состоящий из отрицательно заряженных аминокислот (Глу, Асп) и поэтому способный активно связывать Са+2. Одна молекула кальмодулина имеет 4 кальций-связывающих участка. После взаимодействия с Са+2 происходят конформационные изменения молекулы кальмодулина и комплекс "Са+2-кальмодулин" становится способным регулировать активность (аллостерически угнетать или активировать) многие ферменты - аденилатциклазу, фосфодиэстеразу, Са+2,Мg+2-АТФазу и различные протеинкиназы. В разных клетках при воздействии комплекса "Са+2-кальмодулин" на изоферменты одного и того же фермента (например, на аденилатциклазу разного типа) в одних случаях наблюдается активация, а в других - ингибирование реакции образования цАМФ. Такие различные эффекты происходят потому, что аллостерические центры изоферментов могут включать в себя различные радикалы аминокислот и их реакция на действие комплекса Са+2-кальмодулин будет отличаться.