Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

с аспартатом и с мальтозосвязывающим белком одновременно, при этом ответы усиливают друг друга [1026]. Природа конформационного изменения в рецепторе, индуцируемого связыванием лиганда, неизвестна, но, по-видимому, это изменение затрагивает значительную часть полипептида [408]. Механизм, с помощью которого рецептор влияет на «мотор», приводящий в движение жгутики, также неизвестен; установлено только, что в нем участвует С-концевой домен рецептора [1353] и он может быть связан с фосфорилированием одного из других белковых компонентов системы [626].

3. Адаптация, которая заключается в том, что система способна реагировать на увеличение концентрации лишь непродолжительное время; через несколько минут рецептор десенсибилизуется, т. е. адаптируется к новой концентрации аттрактанта. Но затем рецептор вновь приобретает способность реагировать на дальнейшие изменения концентрации аттрактанта. Частично это связано с метилированием и деметилированием рецептора по нескольким глута-миновым остаткам, расположенным в цитоплазматическом домене [1264, см. также 1393]. Адаптация отсутствует у рецепторов с укороченным С-концом [1264]; эта мутантная форма реагирует на аспартат в течение всего времени, пока последний находится в среде.

В ходе многочисленных экспериментов была продемонстрирована кажущаяся независимость функциональных доменов, располо-

434 Глава 9

женных на N- и С-концах белка [1264, 788J. Исследовались химерные белки, у которых N-концевая часть представляла собой продукт гена tsr (серииовый рецептор), а С-концевая — рецептор для аспартата [788]. Такие белки обладали хемотаксической активностью по отношению к серину. Подобные конструкции наблюдались также у семейства рецепторов пептидных гормонов животных клеток (см. разд. 9.7).

Из всего сказанного можно сделать следующие выводы.

1. Существует семейство трансмембранных рецепторов с родственными последовательностями.

2. Наличие у рецепторов разных функций предполагает, что у них имеются разные структурные и функциональные домены.

3. И высшие, и низшие организмы обладают системой передачи сигнала, в которую вовлечены другие цитоплазматические белки, вероятно каким-то образом модифицирующиеся благодаря конфор-мационному изменению, которое претерпевает рецептор при связывании лиганда.

4. Система адаптируется к сигналу, т. е. может отвечать на него лишь непродолжительное время. Это свойство присуще многим системам клеточного ответа; его называют также десенсибилизацией (разд. 9.7.4).

9.6.2. РЕЦЕПТОРЫ, УЧАСТВУЮЩИЕ В АКТИВАЦИИ ТРАНСКРИПЦИИ [1241]

Это второе семейство рецепторов обнаружено у множества бактерий, которые отвечают на сигнал активацией транскрипции отдельных генов. Во всех случаях система имеет два белковых компонента: 1) сенсор, или рецептор, и 2) регулятор. Все рецепторы, по-видимому, имеют сходную структуру. Они содержат две трансмембранные спирали в N-концевой половине молекулы. С-концевые последовательности представителей этого семейства, находящиеся (по аналогии с хемотаксическнми рецепторами) на цитоплазматической стороне мембраны, в значительной степени гомологичны (рис. 9.12). Регуляторные белки, по-видимому, находятся в цитоплазме в растворимой форме. Вероятно, рецепторы каким-то образом модифицируют эти белки, и затем они прямо нли косвенно активируют транскрипцию. Возможно, модификация состоит в фос-форилировании; об этом свидетельствуют данные, полученные при исследовании системы ответа на ограничение концентрации азота. В разд. 9.7.4 будет обсуждаться ключевая роль фосфорилирования белков в передаче сигналов в животной клетке.

Рассмотрение семейства бактериальных рецепторов показывает, что на основе одной структурной идеи может быть получено соответствие между самыми разными лигандами и ответами на них. Об

Клеточная поверхность 435

этом же свидетельствует и изучение некоторых рецепторов животных клеток ([984]; табл. 9.1). Система передачи сигнала в животных клетках в отличие от бактерий изучена весьма детально. О ней и пойдет речь в следующем разделе.

9.7. Передача сигналов в животных клетках

Животные клетки реагируют на самые разные вещества, содержащиеся во внешней среде. Первым шагом при этом всегда является связывание лиганда (т. е. нейромедиатора или гормона) со специфическим рецептором на наружной поверхности плазматической мембраны. Связывание с лигандом инициирует каскад специфических для данных клетки и рецептора событий, которые весьма интенсивно и плодотворно изучаются. Быстрое накопление новых данных в этой области вскоре потребует привлечения новых подходов для их систематизации. Однако наиболее общие проблемы здесь уже вполне ясны, даже при том, что многие детали малоизу-чены или неизвестны. В данном разделе мы ознакомимся с этими центральными вопросами и теми связанными с мембранами биохимическими явлениями, которые уже хорошо охарактеризованы.

В табл. 9.1 перечислены рецепторы животных клеток, которые участвуют в передаче сигнала; многие из них были клонированы и была определена их первичная структура. Таблица составлена таким образом, чтобы подчеркнуть их структурное сходство. Большинство рецепторов, опосредующих передачу сигнала, связывают либо митогенные агенты, либо нейромедиаторы. К митогенным агентам относятся такие вещества, как ФРЭ, пептидные гормоны и регуляторные пептиды (например, инсулин). Эти соединения регулируют рост клеток при различных условиях, в частности при эмбриогенезе, созревании клеток или их пролиферации, которая является частью иммунного ответа. К нейромедиаторам относятся адреналин, норадреналин, ацетилхолин, глицин и множество других малых молекул, участвующих в клеточном ответе.

Было бы полезно сказать еще несколько слов о классификации рецепторов (разд 8.2.4), особенно рецепторов нейромедиаторов. В основе названий и классификаций этих рецепторов лежит их способность отвечать на различные агонисты и антагонисты (фармакологические свойства), а также их физиологические функции и локализация. Однако тот факт, что имеются рецепторы, отвечающие на один и тот же агонист, означает, что классификация, основанная на свойствах и локализации, не может использоваться для разграничения рецепторных белков. Например, адренергические рецепторы, специфически связывающие катехоламиновые агонисты, такие, как норадреналин и адреналин, были сначала подразделены на типы а и 0 и далее на подтипы а,, оц, 0\ и 0г. Были выделены соот-

436 Глава 9

ветствующие рецепторные белки, правда, не все онн строго вписывались в рамки классификации по фармакологическим признакам [342]. Аналогичным образом по фармакологическим признакам были выделены два класса мускариновых холинергических (ацетилхо-линовых) рецепторов (Ml и М2) и идентифицированы по крайней мере четыре клонированных гена [121]. Они отличались от никотинового ацетилхолинового рецептора (разд. 8.2.4) по специфическому ответу на лекарственные препараты. Существуют также многочисленные классы рецепторов для гистамнна, дофамина, опиатов и других агонистов. Можно ожидать, что в будущем благодаря применению биохимических методов и методов молекулярного клонирования удастся идентифицировать разные рецепторные белки и установить механизмы клеточного ответа. Это позволит по-новому подойти к классификации рецепторов, основанной на их фармакологических свойствах.

9.7.1. ПЕРВИЧНЫЙ ОТВЕТ И СЕМЕЙСТВА РЕЦЕПТОРОВ

Лиганд, связываясь с рецептором, должен индуцировать в нем конформационный переход, приводящий к функциональным изменениям в других частях молекулы. Природа такого перехода абсолютно неизвестна. Установлено лишь, что по крайней мере в IgE-рецепторе с высоким сродством связывание лиганда индуцирует агрегацию рецептора в плоскости мембраны (разд. 9.7.5), однако нет никаких указаний на то, что это характерно для всех передающих сигнал рецепторов. Хотя структурные детали гормонов или нейромедиаторов остаются неизвестными, их важные функциональные особенности сейчас более или менее ясны. Прн связывании аго-ниста происходят следующие три события (рис. 9.13).

1. Связывание агониста индуцирует открывание канала, образуемого рецептором. Примерами могут служить никотиновый ацетилхолиновый рецептор (nAChR), рецептор 7-амнномасляной кислоты (ГАМК) и глициновый рецептор. Все это рецепторы нейромедиаторов, которые структурно объединены в малое суперсемейство ([1302, 549]; табл. 9.1). На основании данных о первичной структуре этих рецепторов/ионных каналов для каждого полипептида была построена модель с четырьмя трансмембранными сегментами, однако экспериментальные исследования топологии nAChR еще не закончены (разд. 8.2.4).

2. При связывании лиганда активируется тирозиновая протеинкиназа, представляющая собой цитоплазматический домен рецептора. Обычно сам рецептор и является мишенью (происходит ауто-фосфолирование), но данные о том, какие именно белки фосфори-лируются и как они влияют на клетку, практически отсутствуют. Этот механизм используют рецепторы митогенных пептидных гор-

Клеточная поверхность 437

+ 6DP

Рис. 9.13. Три первых охарактеризованных события, происходящих при связывании агониста с рецептором, расположенным в плазматической мембране. Волнистой стрелкой обозначено конформационное изменение, происходящее при связывании агониста. Субстратами тирозинспецифичных протеинкиназных активностей являются в первую очередь белки. G-белок представлен в виде трехсубъединичного а(3у-гетеротримера. Детали см. в тексте.

Инсулииовый рецептор Рецептор ФРЗ

v-erbB

Рецептор ансулиноподоЬного фактора роста

I

Рецензор ¦РСК 1

Г"

'цептор ~<РР

Рис. 9.14. Схематическое представление структурно сходных рецепторов для митогенных пептидов и некоторых родственных вирусных онкогенов [14761. Рецепторы для инсулина и инсулнноподобного фактора роста-1 состоят из двух субъединиц, тогда как другие имеют только одну субъеднницу. Некоторые рецепторы содержат богатые цистеином домены (они обозначены прямоугольниками с точками). Черными кружками обозначены другие остатки цистеина, находящиеся во внеклеточных доменах. Тиро-зинкиназные домены (черные прямоугольники) в одних случаях непрерывны, в других состоят из нескольких сегментов. Продукты двух онкогенов, v-erbB и \-ros, родственны ФРЭ-рецептору и /J-субъединице инсулинового рецептора соответственно. ФСК-1 — фактор-1, стимулирующий образование колоний, ТФР — тромбоцитарный фактор роста, ФРЭ — фактор роста эпидермиса.

438 Глава 9

монов и факторов роста, причем многие из этих рецепторов структурно родственны между собой [1614] (рис. 9.14; табл, 9.1). Каждый из этих рецепторных полипептидов имеет по одному трансмембранному сегменту.

3. Рецептор образует комплекс с одной из групп мембраносвя-занных GTP-связывающих белков, называемых G-белками. При связывании лиганда с рецептором в комплексе peuenTop/G-белок происходит конформационное изменение, в результате чего облегчается обмен связанного GDP и GTP на G-белке. Последовательность происходящих событий изображена на рис. 9.15. G-белок активируется на короткое время, будучи связанным с GTP, и в этом состоянии может отделиться от рецептора, причем одна или больше субъединиц G-белка могут связаться с другими мембранными белками, обозначенными на рис. 9.15 словом «мишень», оказывая на них определенное воздействие. К этим мишеням относятся ионные каналы, аденилатциклаза, cGMP/фосфодиэстераза и фосфолипаза С. Более детальное описание G-белков дано в разд 9.7.2. К суперсемейству рецепторов [342], чье действие опосредуется G-белками,

(1) Рецептор связывается с G-белком. (2) Связывание

При связывании агониста GDP высвобождается GT р

{^Высвобождение G-белка

Низное сродство

Высоное сродство

*GDP

GTP '

(<.),* и/или fir связыва- (5) Активация/инги- {6) Гидролиз GTP. нзтся с белком-мишенью бирование белна- Диссоциация

мишени

Мишень

®

Мишень

®

rf/GTP

Мишень

©

0 У

h/GDP|

(7) Восстановление

комплекса G-белок/GDP

I

Рис. 9.15. Эффекты, индуцируемые агонистом в белке-мишеии при участии G-белка. Примером может служить /3-адреиергический рецептор (R), сопряженный с аденилат-цнклазой (мишеиь) с помощью специфического G-белка (Gs), который состоит из трех еубъединиц (а/37). (Черный кружок — агонист.) Детали см. в тексте.

Клеточная поверхность 439

принадлежат также /З-адренергические рецепторы, мускариновые ацетилхолиновые рецепторы и опсины (световые рецепторы). Каждый из этих рецепторов имеет семь трансмембранных сегментов. На рис. 4.1 показана предполагаемая структура родопсина — наиболее полно охарактеризованного представителя этой группы.

9.7.2. G-БЕЛКИ [1400, 515]

Гуаниннуклеотидсвязывающие регуляторные белки, или G-бел-ки, ответственны за передачу сигналов множества гормонов или нейромедиаторов к разнообразным мишеням клетки. Соответствующие примеры приведены в табл. 9.3. Четыре G-белка были очищены до гомогенного состояния и биохимически охарактеризованы: Gi (транедуцин), Gs, Gi и G0. Оказалось, что каждый из них имеет уникальные мишени или эффекторные белки (рис. 9.15). Gt активирует cGMP-специфичную фосфодиэстеразу в наружных сегментах палочек сетчатки; Gs и Gi соответственно стимулируют и ингибируют аденилатциклазу и присутствуют во всех клетках; G0 представлен в большом количестве в клетках мозга и, по-видимому, ингибирует электрочувствительный Са2 +-канал в нейронах [625]. Кроме того, почти несомненно имеются и другие, пока не выделенные G-клетки. G-белок Gp [228], вероятно, использует в качестве мишени фосфатиднлинозитолепецифичную фосфолипазу С, которая инициирует быстрый распад фосфатидилинозитола в плазматической мембране и образование нескольких вторых посредников (разд. 9.7.3). Существует также G-белок, обозначаемый Gp, выделенный из мембран плаценты человека, однако его функция неизвестна [401]. Другой G-белок, GK, по-видимому, открывает К+-специфичные каналы в сердечной мышце и других клетках [1283]; G-белки (Ge?) участвуют также в регуляции экзоцитоза [167]. В некоторых случаях какой-то один G-белок внутри клетки может отвечать на связывание лиганда с одним из нескольких разных рецепторов. Такая ситуация скорее всего имеет место, например, для белка Gk из клеток ганглия Aplysia [1283]. Кроме того, G-белки могут иметь больше одной мишенн. В качестве примера можно привести белок Gt, который активирует как cGMP-фосфоднэстеразу, так и фосфолипазу А2 в наружных сегментах палочек сетчатки быка [704]. По-видимому, в этих процессах активации участвуют различные субъединицы Gt.

Все четыре выделенных белка являются а/37-гетеротримерами. Биохимический анализ и анализ последовательности кДНК указывают на значительное различие между субъединицами (имеются, например, три а-субъединицы) [77], на существование по меньшей мере двух разных /3-субъединиц [489, 444], а также на различия между 7-субъединицами [444]. а-Субъединицы связывают GDP и обла-

Таблица 9.3. Функции и свойства G-белков [228, S2S, 1400]

G3 (очиш.) G, (очищ.) G, (очищ.) Go (очищ.)21 Gp (предпол.)2' Ск-(предпол.)2>

Рецепторный белок(ки)1'

Белок(ки)-мишень(и)

-Адренерги-ческие рецепторы Wu 02)

Аденилатциклаза

аг-Адренерг

страница 62
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97

Скачать книгу "Биомембраны - Молекулярная структура и функции" (4.40Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(17.10.2017)