Передача сигналов от плазматической мембраны внутрь клетки.

Известны три основных способа передачи гормонального сигнала внутрь клетки, и соответственно, три типа гормональных рецепторов на плазматических мембранах клеток.

1. Рецепторы I типа представлены трансмембранным белком, состоящим из одной полипептидной цепи. Этот белок являются аллостерическим ферментом, активный центр которого располагается на внутренней стороне мембраны. Многие из белков этого типа являются тирозиновыми протеинкиназами - ферментами, которые активирует белковые молекулы за счет фосфорилирования в них остатков. Активация такого рецептора-фермента происходит вследствие его димеризации при связывании с сигнальной молекулой.

2. Рецепторы II типа являются ионными каналами. Они представлены олигомерными белками, которые образуют лиганд-активируемые ионные каналы. Связывание лиганда (гормона, нейромедиатора) с таким белком приводит к открыванию ионных каналов для ионов Na⁺, K⁺ или Cl^-. Например, ацетилхолин открывает натриевые и калиевые каналы, гамма-аминомасляная кислота - хлорные каналы.

3. Рецепторы III типа, сопряженные с ГТФ-связывающими белками. На молекулярном уровне процесс передачи информации внутрь клетки обеспечивается цепочкой белковых молекул, которые взаимодействуют друг с другом, либо с небольшими молекулами или ионами. Эти малые молекулы и ионы и называются вторичными посредниками (мессенджерами). Их диффузия обеспечивает распространение сигнала внутри клетки. Наиболее важными вторичными посредникам являются: цАМФ, цГТФ, ионы Са²⁺, инозитолтрифосфат (ИТФ), диацилглицерол (ДАГ), монооксид азота (NO). Эти вещества образуются из доступных субстратов и характеризуются коротким биохимическим полупериодом жизни.

Рецепторный белок III типа взаимодействует со специальной белковой молекулой на внутренней стороне мембраны, с так называемым G – белком. G – белок, в свою очередь, активирует усилительный фермент, который превращает молекулу предшественника во вторичный посредник. Например, фермент аденилатциклаза катализирует превращение АТФ в цАМФ, фосфолипаза С гидролизует молекулу фосфатидилинозитолдифосфата на диацилглицерол и инозитолтрифосфат. Далее вторичный посредник вызывает изменения в молекуле внутриклеточного белка, обладающего определенной функцией.

Известны два механизма действия вторичных посредников на внутриклеточные белки. В первом случае мессенджер, связывается с белковой молекулой и изменяет его конформацию, что приводит к активации и или ингибированию функции этого белка. Примером такого механизма является регуляция сокращения мышечных волокон. В саркоплазме ионы Са²⁺ связываются с белком тропонином и изменяют его конформацию, что приводит к запуску сокращения миофибриллы.

Второй, непрямой механизм действия вторичных посредников более распространен в клетках. Вторичный посредник в этом случае активирует специальный фермент протеинкиназу, который катализирует фосфорилирование какого-либо функционально активного белка. На рис.6 представлена схема передачи сигнал от мембраны внутрь клетки. Рецептор активирует G – белок, G – белок активирует аденилатциклазу, который синтезирует цАМФ. Вторичный посредник, в данном случае, цАМФ, в свою очередь, активирует протеинкиназу. Далее, протеинкиназа фосфорилирует молекулу какого-либо белка, выполняющего определенную функцию. Фосфорилирование этой молекулы приводит к его конформационной перестройке, активируя его функцию.

Рис. 6. Передача сигнала от плазматической внутрь клетки при помощи вторичных посредников (костюк, 251с)

В клетках обнаружены G – белки двух типов: стимулирующие (G_s – белок) и ингибирующие (G_i – белок). Оба типа этих белков активируется при связывании с гуанозинтрифосфатом (ГТФ). Стимулирующий G_s – белок связывается с рецептором соответствующего типа. При получении сигнала рецептором, G_s – белок связывает внутриклеточный ГТФ. Комплекс G_s – белок-ГТФ способен активировать аденилатциклазу, т.е. передавать информацию дальше в клетку. Гидролиз этого комплекса G_s – белок-ГТФ приводит к инактивации G_s – белка и прерыванию передачи сигнала. Гидролиз комплекса осуществляется ферментом гуанозинтрифосфатазой (ГТФ-азой). Показано, что холерный токсин ингибирует активность ГТФ-азы в клетке, что приводит к увеличению времени жизни комплекса G_s – белок-ГТФ. Вследствие этого клетка производит цАМФ постоянно, независимо от внешнего сигнала. В клетках кишечника цАМФ активирует протеинкиназы, стимулирующие клетками секрецию жидкости, чем и объясняется тяжелая диарея, которой страдают больные холерой.

G_i – белки участвуют в передаче информации, которая приводит к подавлению синтеза цАМФ. G_i – белок взаимодействует со специфическим рецептором мембраны, связывается с ГТФ. Комплекс G_i – белок – ГТФ, ингибирует активность аденилатциклазы, и следовательно, цАМФ не синтезируется, вторичный посредник не образуется, протеинкиназа не активируется и функционально активный белок цитоплазмы прекращает свою работу.

Фермент протеинкиназа, участвующая в передаче сигнала, состоит из двух субъединиц: регуляторной и каталитической. Циклическая АМФ связывается с регуляторной субъединицей, в результате чего каталитическая субъединица отделяется. В таком свободном состоянии она может фосфорилировать молекулу белка. В жировых клетках таким способом регулируется активность липаз, ферментов, запускающих последовательные реакции гидролиза липидов для извлечения энергии. Гормоны, например, адреналин связываются с мембранными рецепторами, рецепторы связываются с G_s – белками и активируют аденилатциклазу, которая катализирует синтез цАМФ; цАМФ активирует протеинкиназу, которая фосфорилирует липазу и переводит ее в активное состояние.