Механизм работы рецепторов сопряженных с G-белком

(англ. Guanine nucleotide-binding proteins, белки, связывающие гуанилови нуклеотиды) — это семья белков, участвующих в клеточном сигналюванни эукариот. G-белки играют роль своеобразных переключателей: они могут переходить из неактивного состояния в активное и наоборот, соответственно включая или выключая передачу определенного сигнала внутри клетки. Свое название эти белки получили за способность связывать гуанилови нуклеотиды (англ. G uanine nucleotide): в комплексе с гуанозиндифосфатом (ГДФ) они являются неактивными, а в комплексе с гуанозинтрифосфат (ГТФ) — активные.

Термин «G-белки» чаще употребляется для обозначения гетеротримерних (больших) ГТФ-связывающих белков, состоящих из трех субъединиц α, β и γ; существует еще один класс ГТФ-связывающих белков — мономеры, которые иногда называют малыми G-белками (суперродина Ras малых ГТФаз), они гомологичные к α-субъединицы больших.

Гетеротримерни G-белки участвуют в передаче сигналов от рецепторов, сопряженных с G-белками (англ. G-protein coupled receptors, GPCR) — крупнейшего класса клеточных рецепторов (например, в Caenorhabditis elegans их гены занимают 5% всего генома). У позвоночных животных они отвечают за восприятие клеткой ряда гормонов и других сигнальных молекул, а также за химическое чувств (обоняние и вкус) и фоторецепции (зрение). Показательно, что примерно половина известных фармацевтических препаратов действуют через рецепторы, сопряженные с G-белками: среди таких есть и известные медикаменты, например антигистамины Кларитин (лоратадин) и антидепрессант Прозак (Флуоксетин), а также психотропные вещества, в частности героин, кокаин и тетрагидроканнабинол (действующее вещество марихуаны).

Гетеротримерни G-белки были открыто Альфредом Гилман и Мартином Родбеллом, за что в 1994 году они получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Струкрутра гетеротримерних G-белков

Гетротримерни G-белки состоят из трех субъединиц: α, β и γ. α-субъединица содержит домен связывания и гидролиза ГТФ, что является идентичным для всей суперродины ГТФаз. В состав β-субъединицы входит 7 β-структур, организованных как лопасти пропеллера. С β-субъединицей тесно взаимодействует γ-субъединица, вместе они образуют единую функциональную структуру, которая может диссоциировать только в случае гидролиза белка. Весь G-белок заякорена в мембране с помощью двух липидов, один из которых ковалентно присоединен к N-конца α-субъединицы, другой к C-конца γ-субъединицы.

Рецепторы, сопряженные с G-белками

Рецепторы, сопряженные с G-белками (англ. G-protein coupled reseptors, GPCR) — крупнейшая семья клеточных рецепторов эукариот, обеспечивающих восприятие гормонов, нейромедиаторов, локальных регуляторов, а также обеспечивают зрение, обоняние и чувство вкуса позвоночных животных. В геноме человека найден около 700 генов GPCR, а в мыши за один только обоняние ответ более 1000 этих рецепторов.

Сигнальные молекулы, выступают лигандами для рецепторов, сопряженных с G-белками, могут быть очень разными по химической природе: белками, небольшими пептидами, липидами, производными аминокислот и тому подобное. Кроме этого некоторые предсатвникы этого класса рецепторов, в частности родопсин, могут воспринимать фотоны света. Иногда для одной сигнальной молекулы существует несколько различных GPCR, экспрессируются в различных типах клеток и запускают различные сигнальные пути. Например, в организме человека существует как минимум 9 различных рецепторов к адреналину и не менее 14 — до нейромедиатора серотонина.

Все рецепторы, сопряженные с G-белками, имеют похожую структуру: они состоят из одной полипептидной цепи, 7 раз пересекает липидный бислой. Каждый трансмембранный домен представлен α-спирали, в состав которой входит 20-30 неполярных аминокислот. Эти домены соединены между собой петлями различной величины, расположенными по обе стороны плазматической мембраны. GPCR преимущественно являются гликопротеинами, углеводные остатки которых расположены на зовнишьноклитинний стороне. Внутриклеточные домены этих рецепторов содержат сайты взаимодействия с G-белками.

Функциональный цикл G-белков

G-белки выполняют роль сопряжения клеточных рецепторов с определенными эффекторными молекулами, такими как ферменты или ионные каналы, при этом они выступают в качестве молекулярных переключателей. В неактивном состоянии G-белки содержат ГДФ, связанный с α-субъединицей.

Передача сигнала начинается тогда, когда на клеточный рецептор действует соответствующий лиганд, в результате чего рецептор активируется и меняет конформацию. Активированный рецептор влияет на G-белок (который или находится с ним в постоянном комплексе, или ассоциирует после активации), из-за чего структура α-субъединицы меняется таким образом, что она высвобождает связанную молекулу ГДФ. Место этой молекулы быстро занимает ГТФ, это приводит к аткивации G-белка и изменений в его структуре: α-субъединица теряет сродство к βγ-комплекса, и он распадается. В таком активированном состоянии как ГТФ-связанная α-субъединица, так и βγ-комплекс, могут осуществлять передачу сигнала: активировать определенные ферменты или влиять на состояние ионных каналов. α-субъединица является ГТФазою, и как только она гидролизует присоединен ГТФ до ГДФ, сразу же инактивируется, и триммера структура G-белка восстанавливается. Таким образом происходит отключение звука. Инактивированный G-белок может взаимодействовать с последующей молекулой рецептора и снова включаться.

Регуляция активности G-белков

Эффективность передачи определенного сигнала через G-белок зависит от соотношения между концентрацией активного, ГТФ-связанной, и неактивной, ГДФ-связанной форм. А это соотношение в свою очередь зависит от двух констатирует: константы диссоциации ГДФ, и константы скорости гидролиза ГТФ:

Где

• G-protein · GTP — концентрация активной формы G-белка;
• G-protein · GDP — концентрация неактивной формы G-белка;
• k diss, GDP — константа диссоциации ГДФ;
• k cat, GTP — константа скорости гидролиза ГТФ.

Такое соотношение подтверждается при избытке ГТФ в среде, а также его быстрого, фактически моментального, связывание с «пустой» молекулой G-белка (то есть не связанной с одним гуаниловый нуклеотидом). В таком случае эффективность передачи сигнала может регулироваться одним из следующих способов:

• Увеличение k diss, GDP, что обеспечивается специальным белками — факторами обмена гуаниловый нуклеотидов (англ. Guanine nucleotide exchange factors, GEFs), способствует интенсификации передачи сигнала. Для гетеротримерних G-белков такими факторами являются активированные рецепторы (GPCR), связанные с соответствующим лигандом.
• Уменьшение k diss, GDP, что обеспечивается ингибиторами диссоциации гуаниловый нуклеотидов (англ. Guanine nucleotide dissociation inhibitors, GDI). Белки с такими функциями пока найдены для Ras-суперродины малых ГТФаз, их функция заключается в поддержании в цитоплазме постоянного пула неактивированных молекул, связанных с ГДФ;
• Увеличение k cat, GTP, то есть скорости гидролиза ГТФ, осуществляется благодаря ГТФаза-активирующим белкам (англ. GTPase activating proteins, GAPs). Таким образом снижается продолжительность жизни активированных молекул G-белков. Активность GAPs обычно регулируется другими сигнальными путями. Белки, ускоряют гидролиз ГТФ α-субъединицей гетеротримерних G-белков, называются регуляторы сигналювання G-белков (англ. Regulator of G protein signaling, RGS), в геноме человека есть около 25 генов RGS, каждый из которых взаимодействует с характеринм набором G- белков.

Сигнальные пути, активируются G-белками

G-белки получают входной сигнал от ассоциированных с ними рецепторов, после чего они активируют один из сигнальных путей клетки.

Влияние на синтез циклического АМФ

Циклический АМФ (цАМФ) — это распространенный вторичный посредник, контролирует многие процессы в эукариотических клетках. цАМФ синтезируется с АТФ большим трансмембранным ферментом аденилатциклазы, а разлагается цАМФ-фосфодиэстеразой. Многие сигнальных молекул влияют на клетку путем увеличения или уменьшения концентрации цАМФ через активацию или подавление аденилатциклазы. цАМФ осуществляет свою функцию вторичного посредника активируя цАМФ-зависимой протеинкиназы (протеинкиназу А, ПКА), которая в свою очередь фосфорилирует по остаткам серина и треонина много белков в клетке, активируя или деактивуючы их.

Существует два типа G-белков, влияющих на активные аденилатциклазы: G s (англ. Stimulatory) — стимулирующий, активирующий ее и увеличивает концентрацию цАМФ и G i (англ. Inhibitory) — ингибирующее, подавляющее аденилатциклазу, но также действует путем прямого воздействия на ионные каналы. Примерами реакций, запускаемых путем G s зависимого увеличение концентрации цАМФ, являются:

• Синтез и секреция тиреоидных гормонов щитовидной железой под влиянием тиреотропного гормона;
• Секреция кортизола корой надпочечников под влиянием адренокрортикотропного гормона;
• Расщепление гликогена в мышцах под воздействием адреналина;
• Расщепление гликогена в печени под влиянием глюкагона;
• Увеличение частоты и силы сердечных сокращений под влиянием адреналина;
• Реабсорбция воды в почках под влиянием паратгормона;
• Расщепление триглицеридов в жировой ткани под влиянием одного из насутпних гормонов: адреналина, АКТГ, глюкагона, тиреотропного гормона.

Бактериальные токсины, влияющие на активность белков G s и G i

G-белки, влияющие на цАМФ-зависимое клеточное сигналювання, являются мишенями действия бактериальных токсинов:

• Холерный токсин — это фермент, который катализирует перенос АДФ-рибозы с НАД + (АДФ-рибозилирования) на α-субъединицы G s -билка. В результате он теряет возможность гидролизовать связанную молекулу ГТФ и переходит в состояние перманентной активации. Это в свою очередь приводит к длительному повышению концентрации цАМФ в клетках стенки толстого кишечника, из-за чего в его просвет начинает выделяться большое количество воды и ионов Cl -. Таким образом и возникает диарея, является характерным признаком заболевания холерой.
• Токсин коклюша осуществляет АФД-рибозилирования α-субъединицы G i -билка, из-за чего она не может взаимодействовать с соответствующим рецептором и включаться.

Эти два токсины используются в биологических исследованиях, чтобы определить определенная клеточный ответ опосредуется G s — или G i -билком.

Активация фосфолипазы С-β

Много рецепторов, сопряженных с G-белками действуют путем активации фосфолипизы С-β (ФЛC-β). Этот фермент действует на инозитоловий фосфолипид: фосфатидилинозитол-4,5 бифосфат (ФИ (4,5) Ф2 или ФИФ 2), присутствует в небольшом количестве во внутреннем листке липидного бислоя плазматической мембраны. Рецепторы, активирующие этот сигнальный путь, обычно сопряженные с G q -билком, активирующий фосфолипазу С аналогично как G s -билок — аденилатциклазу. Активирована фосфолипаза расщепляет фосфатидилинозитол-4,5 бифосфат к инозитол-1,4,5-трифосфата (ИФ 3) и диациглицеролу (ДАГ). На этом этапе сигнальный путь разветвляется:

• ИФ 3 от плазматической мембраны диффундирует в цитозоль, где впоследствии присоединяется к кальциевых каналов на поверхности эндоплазматического ретикулума и открывает их. Это приводит к резкому увеличению концентрации ионов Ca + в цитоплазме. Эта молекула также является важным вторичным посредником и регулирует многие клеточных процессов.
• ДАГ остается встроенным в мембрану, где может быть субстратом для синтеза эйкозаноидов, в том числе простагландинов, участвующих в ощущении боли и воспалительных процессах. Также ДАГ активирует серин / треониновых протеинкиназу С, активность которой также зависит и от кальция.

Примерами клеточных реакций G-белок-зависимой активации фосфолипазы C-β являются:

• Расщепление гликогена в печени под влиянием вазопрессина;
• Секреция амилазы поджелудочной железой под влиянием ацетилхолина;
• Сокращение гладких мышц под влиянием ацетилхолина;
• Агрегация тромбоцитов под влиянием тромбина.

Регуляция ионных каналов G-белками

Многие G-белков действуют путем открытия или закрытия ионных каналов, таким образом изменяя электрические свойства плазматической мембраны.

Например снижение частоты и силы сердечных сокращений под влиянием ацетилхолина происходит благодаря тому, что мускариновых ацетилхолиновых рецепторов после активации взаимодействует с G i -билком, α-субъединица которого подавляет деятельность аденилатциклазы, в то время как βγ-комплекс открывает калиевые каналы в плазматической мембране клеток сердечной мышцы, из-за чего их возбудимость уменьшается.

Другие G-белки регулируют активность ионных каналов косвенно: например рецепторы зрения и обоняния действуют через G-белки, которые влияют на синтез циклических нуклеотидов, в свою очередь закрывают или открывают ионные каналы (ионные каналы управляемые циклическими нуклеотидами). Например, все обонятельные рецепторы сопряжены с G olf -билком, который активирует аденилатциклазу; цАМФ, синтезируемый, открывает натриевые каналы, что приводит к деполяризации мембраны и генерирования нервного импульса (рецепторного потенциала), который передается нейронам.

В палочках сетчатки глаза человека светочувствительной молекулой является родопсин. Плазматическая мембрана этих клеток содержит большое количество цГМФ-управляемых катионных каналов. При отсутствии стимуляции светом цитоплазма палочек содержит высокое количество цГМФ, что удерживает катионные каналы в открытом состоянии. В результате мембрана периодически деполяризуется и происходит синаптическая передача импульсов нейронам. После активации светом родопсин меняет конформацию и взаимодействует с G-белком трансдуцином (G t). После этого его α-субъединица активирует цГМФ-фосфодиэстеразу, которая расщепляет цГМФ, в результате чего закрываются катионные каналы и синаптическая передача прекращается. Именно уменьшение частоты импульсов, поступающих от светочувствительных клеток, воспринимается мозгом как ощущение света.

Семьи G-белков

Все гетеротримерни G-белки разделяют на четыре основные семьи по аминокислотной последовательности α-субъединицы:

Основные семьи гетеротримерних G-белков на основе аминокислотной последовательности α-субъединицы
Семья	Некоторые члены	Субъединица, отвечающий за эффект	Некоторые функции
I	G s	α	Активация аденилатциклазы, открытие кальциевых каналов
G olf	α	Активация аденилатциклазы в обонятельных нейронах
II	G i	α	Ингибирование аденилатциклазы
βγ	Открытие калиевых каналов
G o	βγ	Открытие калиевых каналов, закрывания кальциевых каналов
α и βγ	Активация фосфолипазы С-β
G t (трансдуцин)	α	Активация цГМФ-фосфодиэстеразы в фоторецепторах позвоночных
III	G q	α	Активация фосфолипазы С-β
IV	G 12/13	α	Активация мономерных ГТФаз семьи Rho, регулирующих актиновом цитоскелет

Общие представления о путях сигнальной трансдукции

Для большинства регуляторных молекул между их связыванием с мембранным рецептором и окончательной реакцией клетки, т.е. изменением ее работы, вклиниваются сложные серии событий - определенные пути передачи сигнала, иначе называемые путями сигнальной трансдукции.

Регуляторные вещества принято подразделять на эндокринные, нейрокринные и паракринные. Эндокринные регуляторы (гормоны) выделяются эндокринными клетками в кровь и переносятся ею к клеткам-мишеням, которые могут находиться в любом месте организма. Нейрокринные регуляторы выделяются нейронами в непосредственной близости от клеток-мишеней. Паракринные вещества освобождаются несколько дальше от мишеней, но все же достаточно близко к ним, чтобы достичь рецепторов. Паракринные вещества секретируются одним типом клеток, а действуют на другой, однако в некоторых случаях регуляторы предназначены тем клеткам, которые их выделили, или соседним клеткам, относящимся к тому же типу. Это называется аутокринной регуляцией.

В ряде случаев последний этап сигнальной трансдукции состоит в фосфорилировании определенных эффекторных белков, что ведет к усилению или угнетению их активности, а это, в свою очередь, определяет необходимую организму клеточную реакцию. Фосфорилирование белков осуществляют протеинкиназы, а дефосфорилирование - протеинфосфатазы.

Изменения протеинкиназной активности происходят в результате связывания регуляторной молекулы (в общем случае называемой лигандом) с ее мембранным рецептором, что запускает каскады событий, некоторые из которых приведены на рисунке (рис. 2-1). Активность различных протеинкиназ регулируется рецептором не прямо, а через вторичные мессенджеры (вторичные посредники), в роли которых выступают, например, циклический АМФ (цAMФ), циклический ГМФ (цГMФ), Са 2+ , инозитол-1,4,5-три- фосфат (IP 3) и диацилглицерол (DAG). При этом связывание лиганда с мембранным рецептором изменяет внутриклеточный уровень вторичного мессенджера, что, в свою очередь, отражается на активности протеинкиназы. Многие регулятор-

ные молекулы влияют на клеточные процессы через пути сигнальной трансдукции с участием гетеротримерных ГТФ-связывающих белков (гетеротримерных G-белков) или мономерных ГТФ-связывающих белков (мономерных G-белков).

Когда молекулы лиганда связываются с мембранными рецепторами, взаимодействующими с гетеротримерными G-белками, происходит переход G-белка в активное состояние путем связывания с ГТФ. Активированный G-белок может затем взаимодействовать со многими эффекторными белками, прежде всего ферментами, такими, как аденилатциклаза, фосфодиэстераза, фосфолипазы С, А 2 и D. Это взаимодействие запускает цепи реакций (рис. 2-1), которые заканчиваются активацией различных протеинкиназ, таких, как протеинкиназа А (ПКА), протеинкиназа G (ПKG), протеинкиназа C (ПИС).

В общих чертах пути сигнальной трансдукции с участием G-белков - протеинкиназ включает следующие этапы.

1.Лиганд связывается с рецептором на мембране клетки.

2.Связанный с лигандом рецептор, взаимодействуя с G-белком, активирует его, и активированный G-белок связывает ГТФ.

3.Активированный G-белок взаимодействует с одним или несколькими следующими соединениями: аденилатциклазой, фосфодиэстеразой, фосфолипазами С, А 2 , D, активируея или ингибируя их.

4.Внутриклеточный уровень одного или нескольких вторичных мессенджеров, таких, как цАМФ, цГМФ, Са 2+ , IP 3 или DAG, возрастает или снижается.

5.Увеличение или уменьшение концентрации вторичного мессенджера влияет на активность одной или нескольких зависимых от него протеинкиназ, таких, как цАМФ-зависимая протеинкиназа (протеинкиназа А), цГМФ-зависимая протеинкиназа (ПКG), кальмодулинзависимая протеинкиназа (КМПК), протеинкиназа С. Изменение концентрации вторичного мессенджера может активировать тот или иной ионный канал.

6.Уровень фосфорилирования фермента или ионного канала изменяется, что влияет на активность ионного канала, обуславливая конечный ответ клетки.

Рис. 2-1. Некоторые каскады событий, реализующиеся в клетке благодаря вторичным посредникам.

Обозначения: * - активированный фермент

Мембранные рецепторы, связанные с G-белками

Мембранные рецепторы, опосредующие агонист-зависимую активацию G-белков, составляют особое семейство белков, в котором 500 с лишним представителей. К нему относятся α- и β-адренергические, мускариновые ацетилхолиновые, серотониновые, аденозиновые, обонятельные рецепторы, родопсин, а также рецепторы большинства пептидных гормонов. Представители семейства рецепторов, связанных с G-белками, имеют семь трансмембранных α-спиралей (рис. 2-2 А), каждая из которых содержит 22-28 преимущественно гидрофобных аминокислотных остатков.

Для некоторых лигандов, например, ацетилхолина, адреналина, норадреналина и серотонина, известны разные подтипы связанных с G-белками рецепторов. Зачастую они различаются сродством к конкурентным агонистам и антагонистам.

Далее представлена (рис. 2-2 Б) молекулярная организация аденилатциклазы - фермента, продуцирующего цАМФ (первый открытый вторичный мессенджер). Регуляторный путь аденилатциклазы считается классическим путем сигнальной трансдукции, обусловленной G-белками.

Аденилатциклаза служит основой позитивного или негативного контроля путей сигнальной трансдукции через G-белки. При позитивном контроле связывание стимулирующего лиганда, например, адреналина, действующего через β-адренергические рецепторы, ведет к активации гетеротримерных G-белков с α-субъединицей типа as («s» означает стимуляцию). Активация Gs-типа G-белков посредством связанного с лигандом рецептора приводит к тому, что его as-субъединица связывает ГТФ, и затем диссоциирует от βγ-димера.

На рисунке 2-2 В показано, как фосфолипаза С расщепляет фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат на инозитол-1,4,5-трифосфат и диацилглицерол. Оба вещества, инозитол-1,4,5-трифосфат и диацилглицерол, относятся к вторичным мессенджерам. IP3, связываясь со специфическими лигандзависимыми Са 2+ -каналами эндоплазматического ретикулума, высвобождает из него Са 2+ , т.е. повышает концентрацию Са 2+ в цитозоле. Диацилглицерол вместе с Са 2+ активирует другой важный класс протеинкиназ - протеинкиназу С.

Затем показана структура некоторых вторичных мессенджеров (рис. 2-2 Г-Е): цАМФ, ГМФ,

цГМФ.

Рис. 2-2. Примеры молекулярной организации некоторых структур, участвующих в путях сигнальной трансдукции.

А - рецептор мембраны клетки, связывающий на внешней поверхности лиганд, а внутри - гетеротримерный G-белок. Б - молекулярная организация аденилатциклазы. В - структура фосфатидилинози- тол-4,5-дифосфата и образованных под действием фосфолипазы С инозитол-1,4,5-трифосфата и диацилглицерола. Г - структура 3",5"-циклического АМФ (активатора протеинкиназы А). Д - структура ГМФ. Е - структура 3",5"-циклического ГМФ (активатора протеинкиназы G)

Гетеротримерные G-белки

Гетеротримерный G-белок состоит из трех субъединиц: α (40 000-45 000 Да), β (около 37 000 Да) и γ (8000-10 000 Да). Сейчас известно около 20 различных генов, кодирующих эти субъединицы, в том числе не менее четырех генов β-субъединиц и примерно семь генов γ-субъединиц млекопитающих. Функция и специфичность G-белка обычно, хотя и не всегда, определяются его α-субъединицей. У большинства G-бел- ков субъединицы β и γ плотно связаны между собой. Некоторые гетеротримерные G-белки и пути трансдукции, в которых они задействованы, перечислены в табл. 2-1.

Гетеротримерные G-белки служат посредниками между рецепторами плазматической мембраны для более 100 внеклеточных регуляторных веществ и внутриклеточными процессами, которые они контролируют. В общих чертах, связывание регуляторного вещества с его рецептором активирует G-белок, а тот либо активирует, либо ингибирует фермент и/или вызывает цепь событий, приводящих к активации определенных ионных каналов.

На рис. 2-3 представлен общий принцип работы гетеротримерных G-белков. В большинстве G-белков α-субъединица представляет собой «рабочий элемент» гетеротримерных G-белков. Активация большинства G-белков приводит к конформационному изменению этой субъединицы. Неактивные G-белки существуют главным образом в форме αβγ-гетеротримеров,

с ГДФ в позициях, связывающих нуклеотид. Взаимодействие гетеротримерных G-белков с присоединившим лиганд рецептором ведет к преобразованию α-субъединицы в активную форму с повышенным сродством к ГТФ и пониженной афинностью его к βγ-комплексу. В результате активированная α-субъединица освобождает ГДФ, присоединяет ГТФ, а затем диссоциирует от βγ-димера. У большинства G-белков диссоциированная α-субъединица затем взаимодействует с эффекторными белками в пути сигнальной трансдукции. Однако у некоторых G-белков освободившийся βγ-димер может быть ответственным за все или некоторые эффекты рецептор-лигандного комплекса.

Работа некоторых ионных каналов модулируется G-белками непосредственно, т.е. без участия вторичных мессенджеров. Например, связывание ацетилхолина с мускариновыми М 2 -рецепторами сердца и некоторых нейронов ведет к активации особого класса К + -каналов. В этом случае связывание ацетилхолина с мускариновым рецептором ведет к активации G-белка. Его активированная α-субъединица затем отделяется от βγ-димера, а βγ-димер напрямую взаимодействует с особым классом К + -каналов, приводя их в открытое состояние. Связывание ацетилхолина с мускариновыми рецепторами, повышающее К+-проводимость пейсмекерных клеток в синоатриальном узле сердца - один из главных механизмов, посредством которого парасимпатические нервы вызывают уменьшение частоты сердечных сокращений.

Рис. 2-3. Принцип работы гетеротримерных ГТФ-связывающих белков (гетеротримерных G-белков).

Таблица 2-1. Некоторые гетеротримерные ГТФ-связывающие белки млекопитающих, классифицированные на основе их α-субъединиц *

* В каждом классе α-субъединиц различают несколько изоформ. Идентифицировано более 20 α-субъединиц.

Мономерные G-белки

Клетки содержат еще одно семейство ГТФсвязывающих белков, которые называют мономерными ГТФ-связывающими белками. Они также известны как G-белки с низкой молекулярной массой или малые G-белки (молекулярная масса 20 000-35 000 Да). В таблице 2-2 перечислены основные подклассы мономерных ГТФсвязывающих белков и некоторые из их свойств. Ras-подобные и Rho-подобные мономерные ГТФ-связывающие белки участвуют в пути сигнальной трансдукции на этапе передачи сигнала от тирозинкиназы, рецептора фактора роста, на внутриклеточные эффекторы. Среди процессов, регулируемых путями сигнальной трансдукции, в которые вовлечены мономерные ГТФсвязывающие белки, можно назвать элонгацию полипептидной цепи в ходе белкового синтеза, пролиферацию и дифференцировку клеток, их злокачественное перерождение, контроль актинового цитоскелета, связь между цитоскелетом

и внеклеточным матриксом, транспорт везикул между различными органеллами и экзоцитозную секрецию.

Мономерные ГТФ-связывающие белки, как и их гетеротримерные аналоги, представляют собой молекулярные переключатели, существующие в двух формах - активированной «включенной» и инактивированной «выключенной» (рис. 2-4 Б). Однако активация и инактивация мономерных ГТФ-связывающих белков требует дополнительных регуляторных белков, которые, насколько известно, не требуются для работы гетеротримерных G-белков. Мономерные G-белки активируются гуанин-нуклеотид-освобождающими белками, а инактивируются ГТФаза-активирующими белками. Таким образом, активация и инактивация мономерных ГТФ-связывающих белков контролируется сигналами, которые изменяют активность гуанин-нуклеотид-освобождающих белков или ГТФаза-активирующих белков скорее, чем путем прямого воздействия на мономерные G-белки.

Рис. 2-4. Принцип работы мономерных ГТФ-связывающих белков (мономерных G-белков).

Таблица 2-2. Подсемейства мономерных ГТФ-связывающих белков и некоторые регулируемые ими внутриклеточные процессы

Механизм работы гетеротримерных G-белков

Неактивные G-белки существуют главным образом в форме αβγ-гетеротримеров, с ГДФ в их позициях, связывающих нуклеотид (рис. 2-5 А). Взаимодействие гетеротримерных G-белков с присоединившим лиганд рецептором ведет к преобразованию α-субъединицы в активную форму, которая имеет повышенное сродством к ГТФ и пониженную афинность его к βγ-комплексу (рис. 2-5 Б). В большинстве гетеротримерных G-белков именно α-субъединица представляет собой структуру, передающую информацию. Активация большинства G-белков приводит к конформационному изменению α-субъединицы.

В результате активированная α-субъединица освобождает ГДФ, присоединяет ГТФ (рис. 2-5 В), а затем диссоциирует от βγ-димера (рис. 2-5 Г). У большинства G-белков диссоциированная α-субъединица сразу взаимодействует с эффекторными белками (Е 1) в пути сигнальной трансдукции (рис. 2-5 Г). Однако у некоторых G-белков освободившийся βγ-димер может быть ответственным за все или за некоторые эффекты рецептор-лигандного комплекса. Затем βγ-димер взаимодействует с эффекторным белком Е 2 (рис. 2-5 Д). Далее показано, что члены RGS семьи G-белка стимулируют гидролиз ГТФ (рис. 2-5 Е). Это инактивирует α-субъединицу и объединяет все субъединицы в αβγ-гетеротример.

Рис. 2-5. Цикл работы гетеротримерного G-белка, запускающего дальнейшую цепь событий с помощью своей α -субъединицы.

Обозначения: R - рецептор, L - лиганд, Е - эффекторный белок

Пути сигнальной трансдукции через гетеротримерные G-белки

На рисунке 2-6 А показаны три лиганда, их рецепторы, связанные с разными G-белками, и их молекулярные мишени. Аденилатциклаза является основой для позитивного или негативного контроля путей сигнальной трансдукции, которые обусловлены G-белками. При позитивном контроле связывание стимулирующего лиганда, например норадреналина, действующего через β- адренергические рецепторы, ведет к активации гетеротримерных G-белков с α-субъединицей типа α S («s» означает стимуляцию). Поэтому такой G-белок называют G-белком G S -типа. Активация G s -типа G-белков посредством связанного с лигандом рецептора приводит к тому, что его α s - субъединица связывает ГТФ и затем диссоциирует от βγ-димера.

Другие регуляторные вещества, такие, как адреналин, действующий через α 2 -рецепторы, или аденозин, действующий через α 1 -рецепторы, или дофамин, действующий через D 2 -рецепторы, участвуют в негативном или ингибирующем контроле аденилатциклазы. Эти регуляторные вещества активируют G i -тип G-белков, которые имеют α-субъединицу типа α i («i» означает ингибирование). Связывание ингибирующего лиганда с его

рецептором активирует G i -тип G-белков и вызывает диссоциацию его α i -субъединицы от βγ-димера. Активированная α i -субъединица связывается с аденилатциклазой и подавляет ее активность. Кроме того, βγ-димеры могут связывать свободные α s -субъединицы. Этим путем связывание βγ-димеров со свободной α s -субъединицей дополнительно подавляет стимуляцию аденилатциклазы, блокируя действие стимулирующих лигандов.

Еще один класс внеклеточных агонистов (рис. 2-6 А) связывается с рецепторами, которые активируют посредством G-белка, называемого G q , β-изоформу фосфолипазы С. Она расщепляет фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат (фосфолипид, в малых количествах присутствующий в плазматической мембране) на инозитол-1,4,5- трифосфат и диацилглицерол, которые относятся ко вторичным мессенджерам. IP 3 , связываясь со специфичными лигандзависимыми Са 2+ -каналами эндоплазматического ретикулума, высвобождает из него Са 2+ , т.е. повышает концентрацию Са 2+ в цитозоле. Са 2+ -каналы эндоплазматического ретикулума вовлечены в электромеханическое сопряжение в скелетной и сердечной мышце. Диацилглицерол вместе с Са 2+ активирует протеинкиназу С. К ее субстратам относятся, например, белки, участвующие в регуляции клеточного деления.

Рис. 2-6. Примеры путей сигнальной трансдукции через гетеротримерные G-белки.

А - в трех приведенных примерах связывание нейротрансмиттера с рецептором ведет к активации G-белка и последующему включению путей вторичных мессенджеров. G s , G q , и G i подразумевают три различных типа гетеротримерных G-белков. Б - регуляция клеточных белков фосфорилированием ведет к усилению или угнетению их активности, а это, в свою очередь, определяет необходимую организму клеточную реакцию. Фосфорилирование белков осуществляют протеинкиназы, а дефосфорилирование - протеинфосфатазы. Протеинкиназа переносит фосфатную группу (Pi) от АТФ на сериновые, треониновые или тирозиновые остатки белков. Это фосфорилирование обратимо меняет структуру и функции клеточных белков. Оба типа ферментов - киназы и фосфатазы - регулируются различными внутриклеточными вторичными мессенджерами

Пути активации внутриклеточных протеинкиназ

Взаимодействие гетеротримерных G-белков с присоединившим лиганд рецептором ведет к преобразованию α-субъединицы в активную форму, которая имеет повышенное сродство к ГТФ и пониженную афинность его к βγ-комплексу. Активация большинства G-белков приводит к конформационному изменению α-субъединицы, которая освобождает ГДФ, присоединяет ГТФ, а затем диссоциирует от βγ-димера. Далее диссоциированная α-субъединица взаимодействует с эффекторными белками в пути сигнальной трансдукции.

На рисунке 2-7 А продемонстрирована активация гетеротримерных G-белков G s -типа с α-субъединицей типа α s , которая происходит благодаря связыванию с лигандом рецептора и приводит к тому, что α s -субъединица G-белков G s -типа связывает ГТФ и затем диссоциирует от βγ-димера, а далее взаимодействует с аденилатциклазой. Это приводит к повышению уровня цАМФ и активации ПКА.

На рисунке 2-7 Б продемонстрирована активация гетеротримерных G-белков G t -типа с α-субъединицей типа α t , которая происходит благодаря связыванию с лигандом рецептора и приводит к тому, что α t -субъединица G-белков G t -типа активируется и затем диссоциирует от βγ-димера, а далее взаимодействует с фосфодиэстеразой. Это приводит к повышению уровня цГМФ и активации ПKG.

Рецептор катехоламинов α 1 взаимодействует с G αq -субъединицей, активирующей фосфолипазу С. На рисунке 2-7 В продемонстрирована активация гетеротримерных G-белков G αq -типа с α-субъединицей типа α q , которая происходит благодаря связыванию лиганда с рецептором и приводит к тому, что α q -субъединица G-белков G αq -типа активируется и затем диссоциирует от βγ-димера, а далее взаимодействует с фосфолипазой С. Она расщепляет фосфатидилинози- тол-4,5-дифосфат на IP 3 и DAG. Это приводит к повышению уровня IP 3 и DAG. IP 3 , связываясь со специфичными лигандзависимыми Са 2+ - каналами эндоплазматического ретикулума,

высвобождает из него Са 2+ . DAG вызывает активацию протеинкиназы С. В нестимулированной клетке значительное количество этого фермента находится в цитозоле в неактивной форме. Са 2+ заставляет протеинкиназу С связываться с внутренней поверхностью плазматической мембраны. Здесь фермент может активироваться диацилглицеролом, который образуется при гидролизе фосфатидилинозитол-4,5-дифосфата. Мембранный фосфатидилсерин также может быть активатором протеинкиназы С, если фермент находится в мембране.

Описано около 10 изоформ протеинкиназы С. Хотя некоторые из них присутствуют во многих клетках млекопитающих, однако подтипы γ и ε обнаружены, главным образом, в клетках центральной нервной системы. Подтипы протеинкиназы С различаются не только распределением по организму, но, по-видимому, и механизмами регуляции своей активности. Некоторые из них в нестимулированных клетках связаны с плазматической мембраной, т.е. не требуют для активации увеличения концентрации Са 2+ . Некоторые изоформы протеинкиназы С активируются арахидоновой кислотой или другими ненасыщенными жирными кислотами.

Первоначальная кратковременная активация протеинкиназы С происходит под действием диацилглицерола, который освобождается, когда фосфолипаза С β активируется, а также под влиянием Са 2+ , освобожденного из внутриклеточных хранилищ с помощью IP 3 . Долго длящаяся активация протеинкиназы С запускается рецептор-зависимыми фосфолипазами А 2 и D. Они действуют первично на фосфатидилхолин - основной мембранный фосфолипид. Фосфолипаза А 2 отделяет от него жирную кислоту во втором положении (обычно ненасыщенную) и лизофосфатидилхолин. Оба эти продукта активируют определенные изоформы протеинкиназы С. Рецептор-зависимая фосфолипаза D расщепляет фосфатидилхолин таким образом, что образуется фосфатидная кислота и холин. Фосфатидная кислота далее расщепляется до диацилглицерола, участвующего в долговременной стимуляции протеинкиназы С.

Рис. 2-7. Основные принципы активации протеинкиназы А, протеинкиназы G и протеинкиназы С.

Обозначения: R - рецептор, L - лиганд

цAMФ-зависимая протеинкиназа (протеинкиназа А) и связанные с ней сигнальные пути

В отсутствии цАМФ, цАМФ-зависимая протеинкиназа (протеинкиназа А) состоят из четырех субъединиц: двух регуляторных и двух каталитических. У большинства типов клеток каталитическая субъединица одна и та же, а регуляторные субъединицы высокоспецифичны. Присутствие регуляторных субъединиц почти полностью подавляет ферментативную активность комплекса. Таким образом, активация ферментативной активности цАМФ-зависимой протеинкиназы должна вовлекать отделение регуляторных субъединиц от комплекса.

Активация происходит в присутствии микромолярных концентраций цАМФ. Каждая регуляторная субъединица связывает две его молекулы. Связывание цАМФ индуцирует конформационные изменения в регуляторных субъединицах и снижает аффинность их взаимодействия с каталитическими субъединицами. В результате этого регуляторные субъединицы отделяются от каталитических, и каталитические субъединицы становятся активированными. Активная каталитическая субъединица фосфорилирует белкимишени по определенным сериновым и треониновым остаткам.

Сравнение аминокислотных последовательностей цАМФ-зависимой и других классов протеинкиназ показывает, что, несмотря на сильные различия в их регуляторных свойствах, все эти ферменты высокогомологичны по первичной структуре срединной части. Эта часть содержит АТФ-связывающий домен и активный центр фермента, обеспечивающий перенос фосфата с АТФ на белок-акцептор. Участки киназ за пределами этой каталитической срединной части белка участвуют в регуляции киназной активности.

Определена также кристаллическая структура каталитической субъединицы цАМФ-зависимой протеинкиназы. Каталитическая средняя часть молекулы, имеющаяся у всех известных протеинкиназ, состоит из двух долей. Меньшая из них содержит необычный АТФ-связывающий участок, а большая доля содержит участок связывания пептида. Многие протеинкиназы содержат также регуляторный участок, известный как псевдосубстратный домен. По аминокислотной последовательности он напоминает фосфорилируемые участки субстратных белков. Псевдосубстратный домен, связываясь с активным центром протеинкиназы, ингибирует фосфорилирование истинных субстратов протеинкиназы. Активация киназы может включать фосфорилирование или нековалентную аллостерическую модификацию протеинкиназы для устранения ингибирующего действия псевдосубстратного домена.

Рис. 2-8. цAMФ-зависимая протеинкиназа А и мишени.

Когда адреналин связывается с соответствующим рецептором, активация α s -субъединицы стимулирует аденилатциклазу с увеличением уровня цАМФ. цАМФ активирует протеинкиназу А, которая путем фосфорилирования дает три основных эффекта. (1) Протеинкиназа А активирует киназу фосфорилазы гликогена, которая фосфорилирует и активирует фосфорилазу гликогена. (2) Протеинкиназа А инактивирует гликогенсинтазу и таким образом уменьшает образование гликогена. (3) Протеинкиназа А активирует ингибитор фосфопротеин-фосфатазы-1 и тем самым ингибирует фосфатазу. Эффект в целом заключается в координации изменений уровня глюкозы.

Обозначения: УДФ-глюкоза - уридиндифосфатглюкоза

Гормональная регуляция активности аденилатциклазы

На рисунке 2-9 А представлен принципиальный механизм индуцированной гормонами стимуляции и ингибирования аденилатциклазы. Взаимодействие лиганда с рецептором, связанным с α-субъединицей типа α s (стимулирующая), вызывает активацию аденилатциклазы, тогда как взаимодействие лиганда с рецептором), связанным с α-субъединицей типа α i (ингибирующая), вызывает ингибирование фермента. G βγ -субъединица и в стимулирующих, и в ингибирующих G-белках идентична. G α -субъединицы и рецепторы различны. Лиганд-стимулирован-ное образование активных G α ГТФ комплексов происходит с помощью одинаковых механизмов в обоих G αs ,- и G αi -протеинах. Однако G αs ГТФ и G αi ГТФ по-разному взаимодействуют с аденилатциклазой. Одна (G αs ГТФ) стимулирует, а другая G αi ГТФ) ингибирует ее каталитическую активность.

На рисунке 2-9 Б представлен механизм индуцированной определенными гормонами активации и ингибирования аденилатциклазы. β 1 -, β 2 - и D 1 -рецепторы взаимодействуют с субъединицами, которые активируют аденилатциклазу и повышают уровень цАМФ. α 2 -и D 2 -рецепторы взаимодействуют с G αi субъединицами, которые ингибируют аденилатциклазу. (Что касается α 1 -рецептора, то он взаимодействует с G -субъединицей, которая активирует фосфолипазу С.) Рассмотрим один из примеров, представленных на рисунке. Адреналин связывается с β 1 -рецептором, что приводит к активации G αs -белка, который стимулирует аденилатциклазу. Это приводит к увеличению внутриклеточного уровня цАМФ, и, таким образом, усиливает активность ПКА. С другой стороны, норадреналин связывается с α 2 -рецептором, что приводит к активации G αi -белка, который ингибирует аденилатциклазу и тем самым снижает внутриклеточный уровень цАМФ, уменьшая активность ПКА.

Рис. 2-9. Индуцированная лигандами (гормонами) активация и ингибирование аденилатциклазы.

А - принципиальный механизм. Б - механизм применительно к конкретным гормонам

Протеинкиназа С и связанные с ней сигнальные пути

Рецептор α 1 взаимодействует с G αq -субъединицей G-белка, которая активирует фосфолипазу С. Фосфолипаза С расщепляет фосфатидилинози- тол-4,5-дифосфат на IP 3 и DAG. IP 3 , связываясь со специфичными лиганд-зависимыми Са 2+ -каналами эндоплазматического ретикулума, высвобождает из него Са 2+ , т.е. повышает концентрацию Са 2+ в цитозоле. DAG вызывает активацию протеинкиназы С. В нестимулированной клетке этот фермент находится в цитозоле в неактивной

форме. Если цитозольный уровень Са 2+ повышается, происходит взаимодействие Са 2+ с протеинкиназой С, что приводит к связыванию протеинкиназы С с внутренней поверхностью клеточной мембраны. В таком положении фермент активируется диацилглицеролом, образующимся при гидролизе фосфатидилинозитол-4,5-дифосфа- та. Мембранный фосфатидилсерин также может быть активатором протеинкиназы С, если фермент находится в мембране.

В таблице 2-3 приведены изоформы протеинкиназы С млекопитающих и свойства этих изоформ.

Таблица 2-3. Свойства изоформ протеинкиназы С млекопитающих

ДАГ - диацилглицерол; ФС - фосфатидилсерин; ФФА - цис-ненасыщенные жирные кислоты; ЛФХ - лизофосфатидилхолин.

Рис. 2-10. Сигнальные пути диацилглицерол / инозитол-1,4,5-трифосфат

Фосфолипазы и связанные с ними сигнальные пути на примере арахидоновой кислоты

Некоторые агонисты посредством G-белков активируют фосфолипазу А 2 , которая действует на мембранные фосфолипиды. Продукты их реакций могут активировать протеинкиназу С. В частности, фосфолипаза A 2 отделяет от фосфолипидов находящуюся во втором положении жирную кислоту. Вследствие того, что некоторые фосфолипиды содержат в этом положении арахидоновую кислоту, вызванное фосфолипазой A 2 , расщепление этих фосфолипидов освобождает значительное ее количество.

Вышеописанный сигнальный путь арахидоновой кислоты, связанный с фосфолипазой А 2 , называют прямым. Непрямой путь активации арахидоновой кислоты связан с фосфолипазой С β .

Арахидоновая кислота сама по себе является эффекторной молекулой, а кроме того, служит предшественником для внутриклеточного синтеза простагландинов, простациклинов, тромбоксанов и лейкотриенов - важных классов регуляторных молекул. Арахидоновая кислота также образуется из продуктов расщепления диацил-глицеролов.

Простагландины, простациклины и тромбоксаны синтезируются из арахидоновой кислоты циклооксигеназно-зависимым путем, а лейкотриены - липоксигеназно-зависимым путем. Один из противовоспалительных эффектов глюкокортикоидов заключается как раз в ингибировании фосфолипазы A 2 , которая освобождает арахидоновую кислоту из фосфолипидов. Ацетилсалициловая кислота (аспирин  ) и другие нестероидные противовоспалительные средства ингибируют окисление арахидоновой кислоты циклооксигеназой.

Рис. 2-11. Сигнальные пути арахидоновой кислоты.

Обозначения: ПГ - простагландин, ЛГ - лейкотриен, ГПЭТЕ - гидропероксиэйкозатетраеноат, ГЭТЕ - гидроксиэйкозатетраеноат, ЭПР - эндоплазматический ретикулум

Кальмодулин: строение и функции

Множество жизненно важных клеточных процессов, включая освобождение нейротрансмиттеров, секрецию гормонов и мышечное сокращение, регулируется цитозольным уровнем Са 2+ . Один из путей влияния этого иона на клеточные процессы заключается в его связывании с кальмодулином.

Кальмодулин - белок с молекулярным весом 16 700 (рис. 2-12 А). Он присутствует во всех клетках, иногда составляя до 1% их общего белкового содержимого. Кальмодулин связывает четыре иона кальция (рис. 2-12 Б и В), после чего этот комплекс регулирует активность различных внутриклеточных белков, многие из которых не относятся к протеинкиназам.

Комплекс Са 2+ c кальмодулином активирует также кальмодулин-зависимые протеинкиназы. Специфический кальмодулин-зависимые протеинкиназы фосфорилируют специфические эффекторные белки, например, регуляторные легкие цепи миозина, фосфорилазу и фактор элонгации II. Мультифункциональные кальмодулин-зависимые протеинкиназы фосфорилируют многочисленные белки ядра, цитоскелета или мембранные белки. Некоторые кальмодулинзависимые протеинкиназы, такие, как киназа

легкой миозиновой цепи и киназа фосфорилазы, действуют только на один клеточный субстрат, тогда как другие полифункциональны и фосфорилируют более чем один субстратный белок.

Кальмодулин-зависимая протеинкиназа II относится к мажорным белкам нервной системы. В некоторых областях головного мозга на нее приходится до 2% общего белка. Эта киназа участвует в механизме, при котором увеличение концентрации Са 2+ в нервном окончании вызывает освобождение нейротрансмиттера по типу экзоцитоза. Ее главным субстратом служит белок под названием синапсин I, присутствующий в нервных окончаниях и связывающийся с наружной поверхностью синаптических везикул. Когда синапсин I связан с везикулами, он предотвращает экзоцитоз. Фосфорилирование синапсина I вызывает его отделение от везикул, позволяя им выбросить нейротрансмиттер в синаптическую щель путем экзоцитоза.

Киназа легких цепей миозина играет важную роль в регуляции сокращения гладких мышц. Повышение цитозольной концентрации Са 2+ в клетках гладких мышц активирует киназу легких цепей миозина. Фосфорилирование регуляторных легких цепей миозина приводит к длительному сокращению гладкомышечных клеток.

Рис. 2-12. Кальмодулин.

А - кальмодулин без кальция. Б - связывание кальция с кальмодулином и пептидной мишенью. В - схема связывания.

Обозначения: EF - Са 2+ -связывающие домены кальмодулина

Рецепторы с собственной ферметативной активностью (каталитические рецепторы)

Гормоны и факторы роста связываются с протеинами поверхности клетки, которые имеют ферментативную активность на цитоплазматической стороне мембраны. На рисунке 2-13 представлены пять классов каталитических рецепторов.

Один из характерных экземпляров трансмембранных рецепторов с гуанилатциклазной активностью, рецептор предсердного натрий-уретического пептида (ANP). Мембранный рецептор, с которым связывается ANP, не зависит от рассмотренных систем сигнальной трансдукции. Выше было описано действие внеклеточных агонистов, которые, связываясь с мембранными рецепторами, либо активируют аденилатциклазу через G s -белки, либо угнетают ее через G i . Мембранные рецепторы для ANP интересны тем, что сами рецепторы обладают гуанилатциклазной активностью, стимулирующейся связыванием ANP с рецептором.

ANP-рецепторы имеют внеклеточный ANP-свя- зывающий домен, единственную трансмембранную спираль и внутриклеточный гуанилатциклазный домен. Связывание ANP с рецептором повышает внутриклеточный уровень цГМФ, что стимулирует цГМФ-зависимую протеинкиназу. В противоположность цАМФ-зависимой протеинкиназе, имеющей регуляторную и каталитическую субъединицы, регуляторные и каталитические домены цГМФ-зависимой протеинкиназы находятся на одной полипептидной цепи. цГМФзависимая киназа затем фосфорилирует внутриклеточные белки, что приводит к различным клеточным ответам.

Рецепторы с серин-треонин-киназной активностью фосфорилируют белки только по остаткам серина и/или треонина.

Еще одно семейство мембранных рецепторов, не сопряженных с G-белками, состоит из белков с собственнойтирозин-протеинкиназнойактивностью. Рецепторами с собственной тирозин-протеинкиназной активностью служат белки с гликозилированным внеклеточным доменом, единственным

трансмембранным участком и внутриклеточным доменом с тирозин-протеинкиназной активностью. Связывание с ними агониста, например фактора роста нервов (NGF), стимулирует тирозин-протеинкиназную активность, что фосфорилирует специфичные белки-эффекторы по определенным тирозиновым остаткам. Большинство рецепторов для факторов роста димеризуются, когда с ними связывается NGF. Именно димеризация рецептора ведет к появлению у него тирозинпротеинкиназной активности. Активированные рецепторы часто фосфорилируют сами себя, что называется аутофосфорилированием.

К надсемейству пептидных рецепторов относят рецепторы инсулина. Это также тирозин-протеинкиназы. В подклассе рецепторов, относящихся к семейству инсулиновых рецепторов, нелигандный рецептор существует как дисульфид-связанный димер. Взаимодействие с инсулином приводит к конформационным изменениям обоих мономеров, что повышает связывание инсулина, активирует рецепторную тирозинкиназу и ведет к увеличению аутофосфорилирования рецептора.

Связывание гормона или фактора роста с его рецептором запускает разнообразные клеточные ответы, включая поступление в цитоплазму Са 2+ , увеличение Na + /H + обмена, стимуляцию захвата аминокислот и сахара, стимуляцию фосфолипазы С β и гидролиз фосфатидилинозитолдифосфата.

Рецепторы гормона роста, пролактина и эритропоэтина, также как рецепторы интерферона и многих цитокинов, непосредственно не служат протеинкиназами. Однако после активации эти рецепторы образуют сигнальные комплексы с внутриклеточными тирозин-протеинкиназами, которые и запускают их внутриклеточные эффекты. Именно потому они не являются истинными рецепторами с собственной тирозин-протеинкиназной активностью, а просто связываются с ними.

На основе структуры можно полагать, что трансмембранные тирозин-протеинфосфатазы также представляют собой рецепторы, а их с тирозин-протеинфосфатазная активность модулируется внеклеточными лигандами.

Рис. 2-13. Каталитические рецепторы.

А - рецептор гуанилциклазы, Б - рецептор с серин-треонин киназной активностью, В - рецептор с собственной тирозин-протеинкиназной активностью, Г - рецепторы, ассоциированные с тирозин-протеинкиназной активностью

Рецептор-связанные тирозинпротеинкиназы на примере рецепторов интерферона

Рецепторы интерферона непосредственно не являются протеинкиназами. После активации эти рецепторы образуют сигнальные комплексы с внутриклеточными тирозин-протеинкиназами, которые и запускают их внутриклеточные эффекты. То есть они не являются истинными рецепторами с собственной тирозин-протеинкиназной активностью, а просто связываются с ними таке рецепторы называются рецептор-связанными (рецептор-зависимыми) тирозин-протеинкиназами.

Механизмы, благодаря которому эти рецепторы оказывают действие, запускаются, когда гормон связывается с рецептором, что вызывает его димеризацию. Рецепторный димер связывает одну или несколько членов Janus -семейства тирозин-протеинкиназ (JAK). JAK затем перекрестно

фосфорилируют друг друга, а также рецептор. Члены семейства преобразователей сигнала и активаторов транскрипции (STAT) связывают фосфорилированные домены на комплексе рецептора и JAK. STAT-белки фосфорилируются JAK-киназами и затем отсоединяются от сигнального комплекса. В конечном итоге фосфорилированные STAT-белки образуют димеры, которые двигаются к ядру, чтобы активировать транскрипцию определенных генов.

Специфичность рецептора для каждого гормона отчасти зависит от специфики членов семейства JAK или STAT, объединяющихся для образования сигнального комплекса. В некоторых случаях сигнальный комплекс также активирует MAP-(митоген-активирующий протеин)-киназный каскад с помощью адапторных белков, используемых рецепторными тирозинкиназами. Некоторые из ответов рецепторных тирозинкиназных лигандов также вовлекают JAK и STAT пути.

Рис. 2-14. Пример каталитических рецепторов, ассоциированных с тирозин-протеинкиназной активностью. Рецептор, активируемый α -интерфероном (А) и γ -интерфероном (Б)

Ras-подобные мономерные G-белки и опосредованные ими пути трансдукции

Лиганд, например фактор роста, связывается с рецептором, обладающим собственной тирозинпротеинкиназной активностью, что приводит к увеличению транскрипции в 10-ступенчатом процессе. Ras-подобные мономерные ГТФ-связывающие белки участвуют в пути сигнальной трансдукции на этапе передачи сигнала от рецепторов с собственной тирозин-протеинкиназной активностью (например, рецепторов фактора роста) на внутриклеточные эффекторы. Активация и инактивация мономерных ГТФ-связывающих белков требуют дополнительных регуляторных белков. Мономерные G-белки активируются гуанин-нуклеотид-освобождающими белками (GNRP), а инактивируются ГТФаза-активирующими белками (GAP).

Мономерные ГТФ-связывающие белки семейства Ras служат посредниками связывания митогенных лигандов и их тирозин-протеинкиназных рецепторов, что запускает внутриклеточные процессы, ведущие к пролиферации клеток. Когда Ras-белки неактивны, клетки не реагируют на факторы роста, действующие через тирозинкиназные рецепторы.

Aктивация Ras запускает путь сигнальной трансдукции, приводящий в конечном итоге к транскрипции определенных генов, способствующих клеточному росту. Каскад MAP-киназы (МАРК) вовлекается в ответы при активации Ras. Протеинкиназа С также активирует каскад MAP- киназы. Таким образом, каскад MAP-киназы оказывается важной точкой конвергенции для разнообразных эффектов, вызывающих клеточную пролиферацию. Более того, здесь наблюдается перекрест между протеинкиназой С и тирозинкиназами. Например γ-изоформа фосфолипазы С активируется путем связывания с активированным Ras-белком. Эта активация передается на протеинкиназу С в процессе стимуляции фосфолипидного гидролиза.

На рисунке 2-15 представлен механизм, включающий 10 ступеней.

1. Связывание лиганда приводит к димеризации рецептора.

2.Активированнаятирозин-протеинкиназа (RTK) фосфорилирует себя.

3.GRB 2 (growth factor receptor-bound protein-2), SH 2 -содержащий протеин, узнает фосфотирозиновые остатки на активированном рецепторе.

4.Связывание GRB 2 включает SOS (son of sevenless) обменный протеин гуаниннуклеотида.

5.SOS активирует Ras, формируя на Ras ГТФ вместо ГДФ.

6.Активный комплекс Ras-ГТФ активирует другие протеины физическим включением их в плазматическую мембрану. Активный комплекс Ras-ГТФ взаимодействует с N-терминальной частью серин-треонин киназы Raf-1 (известной как митоген-активирующий протеин, MAP) первой в серии последовательности активированных протеинкиназ, которые передают активационный сигнал в ядро клетки.

7.Raf-1 фосфорилирует и активирует протеинкиназу, названную MEK, которая известна как киназа МАP-киназы (МАРКК). MEK - это мультифункциональная протеинкиназа, фосфорилирующая субстраты остатков тирозина и серина / треонина.

8.MEK фосфорилирует МАP-киназу (МАРК), которая также вызывается внеклеточным сигналом - регуляторной киназой (ERK 1 , ERK 2). Активация МАРК требует двойного фосфорилирования на соседних остатках серина и тирозина.

9.МАРК служит важнейшей эффекторной молекулой в Ras-зависимой сигнальной трансдукции, поскольку она фосфорилирует много клеточных протеинов после митогенной стимуляции.

10.Активированная МАРК переносится в ядро, где она фосфорилирует фактор транскрипции. В целом, активированный Ras активирует МАР

путем связывания с ней. Результатом этого каскада являются фосфорилирование и активация МАР-киназы, которая, в свою очередь, фосфорилирует факторы транскрипции, белковые субстраты и другие протеинкиназы, важные для деления и других ответов клеток. Активация Ras зависит от адаптерных белков, связывающихся с фосфотирозиновыми доменами на активированных факторами роста рецепторах. Эти адаптерные белки присоединяются и активируют GNRF (гуанин-нуклеотидобменный протеин), который активирует Ras.

Рис. 2-15. Регуляция транскрипции Ras-подобными мономерными G-белками, запускаемая с рецептора с собственной тирозин-протеинкиназной активностью

Регуляция транскрипции белком, взаимодействующим с цАМФзависимым элементом ДНК (CREB)

CREB -широко распространенный транскрипционный фактор - в норме связан с участком ДНК, названным CRE (сАМР response element). В отсутствии стимуляции CREB дефосфорилирован и не влияет на транскрипцию. Многочисленные пути сигнальной трансдукции посредством активации киназ (таких, как ПКА, Са 2+ /кальмо- дулин-киназа IV, МАР-киназа) приводят к фосфорилированию CREB. Фосфорилированный CREB связывается CBP (CREB-binding protein - CREB-связывающим протеином), который имеет домен, стимулирующий транскрипцию. Параллельно фосфорилирование активирует РР1

(фосфопротеинфосфатазу 1), которая дефосфорилирует CREB, что приводит к остановке транскрипции.

Показано, что активация CREB-опосредованно- го механизма важна для реализации таких высших когнитивных функций, как обучение и память.

На рисунке 2-15 показано также строение цАМФзависимой ПКА, которая в отсутствии цАМФ состоит из четырех субъединиц: двух регуляторных и двух каталитических. Присутствие регуляторных субъединиц подавляет ферментативную активность комплекса. Связывание цАМФ индуцирует конформационные изменения в регуляторных субъединицах, в результате чего регуляторные субъединицы отделяются от каталитических. Каталитические ПКА попадают в ядро клетки и запускают изложенный выше процесс.

Рис. 2-16. Регуляция генной транскрипции с помощью CREB (сАМР response element binding protein) через увеличение уровня циклического аденозинмонофосфата

При передаче сигнала на рецепторы, сопряженные , участвует фактически такой же основной механизм. Связывание агониста рецептором приводит к изменению конформации белка рецептора. Это изменение передается на белок G: а-субъединица изменяет гуанозиндифосфат (ГДФ) на гуанозинтрифосфат (ГТФ), затем диссоциирует от двух других субъединиц, связывается с эффекторным белком и изменяет его функциональное состояние.

В принципе, β- и γ-субъединицы тоже способны взаимодействовать с эффекторными белками, а-субъединица медленно гидролизует связанный ГТФ до ГДФ . G a -ГДФ не обладает аффинитетом к эффекторному белку и вновь связывается с β- и γ-субъединицами. Белки G могут диффундировать вдоль мембраны; они не прикреплены к отдельным белкам рецепторов. Тем не менее существует связь между типами рецепторов и типами белка G.

Более того, α-субъединицы отдельных белков G различаются аффинитетом к разным эффекторным белкам, а также характером воздействия на них. G a -ГТФ белка G s стимулирует аденилатциклазу, в то время как G a -ГТФ белка G i является ее ингибитором.

Группа сопряженных с G-белком рецепторов включает мускариновые холинорецепторы, адренорецепторы норадреналина и адреналина, а также рецепторы дофамина, гистамина, серотонина, глутамата, ГАМК, морфина, простагландинов, лейкотриенов и многих других медиаторов и гормонов.

К основным эффекторным белкам у сопряженных с G-белком рецепторов относятся аденилатциклаза (АТФ => внутриклеточный посредник цАМФ), фосфолипаза С (фосфатидилинозитол => внутриклеточные посредники инозитолтрифосфата и диацилглицерола), а также белки ионного канала. Множество клеточных функций регулируется концентрацией клеточного циклического аденозинмонофосфата (цАМФ), поскольку цАМФ увеличивает активность протеинкиназы А, которая катализирует превращение фосфатных групп в функциональные белки.

Повышение уровня цАМФ приводит к снижению тонуса гладких мышц, увеличению сократимости сердечной мышцы, а также повышению гликогенолиза и липолиза. Фосфорилирование белков сердечных Са 2+ -каналов повышает вероятность открытия каналов во время деполяризации мембраны. Следует отметить, что цАМФ инактивируется фосфодиэстеразой. Ингибиторы данного фермента повышают внутриклеточную концентрацию цАМФ и действуют как адреналин.

Белок рецептора самостоятельно фосфорилируется с потерей свойства активировать связанный белок G. Это один из механизмов, который способствует снижению чувствительность клетки во время длительной стимуляции рецептора агонистом (десенситизация).

Активация фосфолипазы С приводит к гидролизу мембранного фосфолипида фосфатидилинозитол-4,5-дифосфата до инозитолтрифосфата (IР 3) и диацил-глицерола (DAG). Инозитолтрифосфат стимулирует высвобождение Са 2+ из органелл-депо, что приводит к сокращению гладкомышечных клеток, распаду гликогена или к активации экзоцитоза. Диацилглицерол стимулирует протеинкиназу С, которая фосфорилирует ряд ферментов, содержащих серин или треонин.

Некоторые белки G вызывают открытие белков каналов. Таким образом активируются К + -каналы (действие АХ на синусовый узел, действие опиоидов на передачу нервного импульса).

ТРАНСМЕМБРАННАЯ ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА. Важное свойство мембран - способность воспринимать и передавать внутрь клетки сигналы из внешней среды. "Узнавание" сигнальных молекул осуществляется с помощью белков-рецепторов, встроенных в клеточную мембрану клеток-мишеней или находящихся в клетке.

Если сигнал воспринимается мембранными рецепторами, то схему передачи информации можно представить так:

взаимодействие рецептора с сигнальной молекулой (первичным посредником);

активация мембранного фермента, ответственного за образование вторичного посредника;

образование вторичного посредника цАМФ, цГМФ, ИФ3, ДАТ или Са 2+ ;

активация посредниками специфических белков, в основном протеинкиназ, которые, в свою очередь, фосфорилируя ферменты, оказывают влияние на активность внутриклеточных процессов.

Существует несколько механизмов трансмембранной передачи информации: с использованием аденилатциклазной системы, инозитолфосфатной системы, каталитических рецепторов, цитоплазматических или ядерных рецепторов.

Cтруктурно-функциональная организация G-белков

G-белки (ГТФ-связывающие белки) - универсальные посредники при передаче сигналов от рецепторов к ферментам клеточной мембраны, катализирующим образование вторичных посредников гормонального сигнала. G-белки - олигомеры, состоящие из α, β и γ-субъединиц.

Каждая α-субъединица в составе G-белка имеет специфические центры:

связывания ГТФ или ГДФ;

взаимодействия с рецептором;

связывания с βγ-субъединицами;

фосфорилирования под действием протеинкиназы С;

взаимодействия с ферментом аденилатциклазой или фосфолипазой С.

В структуре G-белков отсутствуют α-спиральные, пронизывающие мембрану домены. G-белки относят к группе "заякоренных" белков.

Регуляция активности G-белков

Различают неактивную форму G-белка - комплекс αβγ-ГДФ и активированную форму αβγ-ГТФ. Активация G-белка происходит при взаимодействии с комплексом активатор-рецептор, изменение конформации G-белка снижает сродство α-субъединицы к молекуле ГДФ и увеличивает к ГТФ. Замена ГДФ на ГТФ в активном центре G-белка нарушает комплементарность между α-ГТФ и βγ-субъединицами. Рецептор, связанный с сигнальной молекулой, может активировать большое количество молекул G-белка, таким образом обеспечивая усиление внеклеточного сигнала на этом этапе.

Активированная α-субъединица G-белка (α-ГТФ) взаимодействует со специфическим белком клеточной мембраны и изменяет его активность. Такими белками могут быть ферменты аденилатциклаза, фосфолипаза С, фосфоди-эстераза цГМФ, Nа+-каналы, К+-каналы.

Рис. 5-35. Цикл функционирования G-белка. R s - рецептор; Г - гормон; АЦ - аденилатциклаза.

Следующий этап цикла функционирования G-белка - дефосфорилирование ГТФ, связанного с α-субъединицей, причём фермент, катализирующий эту реакцию, - сама α-субъединица.

Дефосфорилирование приводит к образованию комплекса α-ГДФ, который не комплементарен специфическому белку мембраны (например, аденилатциклазе), но имеет высокое сродство к ру-протомерам. G-белок возвращается к неактивной форме - αβγ-ГДФ. При последующей активации рецептора и замене молекулы ГДФ на ГТФ цикл повторяется снова. Таким образом, α-субъединицы G-белков совершают челночное движение, перенося стимулирующий или ингибирующий сигнал от рецептора, который активирован первичным посредником (например, гормоном), на фермент, катализирующий образование вторичного посредника.

Некоторые формы протеинкиназ могут фосфорилировать α-субъединицы G-белков. Фосфорилированная α-субъединица не комплементарна специфическому белку мембраны, например аденилатциклазе или фосфолипазе С, поэтому не может участвовать в передаче сигнала.

Аденилатциклаза

Фермент аденилатциклаза, катализирующий превращение АТФ в цАМФ, - ключевой фермент аденилатциклазной системы передачи сигнала. Фермент относят к группе интегральных белков клеточной мембраны, он имеет 12 трансмембранных доменов. Внеклеточные фрагменты аденилатциклазы гликозилированы. Цитоплазматические домены аденилатциклазы имеют два каталитических центра, ответственных за образование цАМФ - вторичного посредника, участвующего в регуляции активности фермента протеинкиназы А.

На активность аденилатциклазы оказывают влияние как внеклеточные, так и внутриклеточные регуляторы. Внеклеточные регуляторы (гормоны, эйкозаноиды, биогенные амины) осуществляют регуляцию через специфические рецепторы, которые с помощью α-субъединиц G-белков передают сигналы на аденилатциклазу. α s -Субъединица (стимулирующая) при взаимодействии с аденилатциклазой активирует фермент, α-субъединица (ингибирующая) ингибирует фермент. Из 8 изученных изоформ аденилатциклазы 4 - Са 2+ -зависимые (активируются Са 2+). Регуляция аденилатциклазы внутриклеточным кальцием позволяет клетке интегрировать активность двух основных вторичных посредников цАМФ и Са 2+ .

Аденилатциклазная система

При участии аденилатциклазной системы реализуются эффекты сотни различных по своей природе сигнальных молекул - гормонов, нейромедиаторов, эйкозаноидов.

Функционирование системы трансмембранной передачи сигналов обеспечивают белки: Rs-рецептор сигнальной молекулы, которая активирует аденилатциклазу, и R i -рецептор сигнальной молекулы, которая ингибирует аденилатциклазу; G s -стимулирующий и G j -ингибирующий аденилатциклазу белки; ферменты аденилатциклаза (АЦ) и протеинкиназа А (ПКА).

Последовательность событий, приводящих к активации аденилатциклазы:

связывание активатора аденилатциклазной системы, например гормона (Г) с рецептором (R s), приводит к изменению конфор-мации рецептора и увеличению его сродства к G s -белку. В результате образуется комплекс [Г][R][О-ГДФ];

присоединение [Г][R] к G-ГДФ снижает сродство α-субъединицы G s -белка к ГДФ и увеличивает сродство к ГТФ. ГДФ замещается на ГТФ;

это вызывает диссоциацию комплекса. Отделившаяся субъединица α, связанная с молекулой ГТФ, обладает сродством к адени-латциклазе:

[Г][R] → [Г][R] + α-ГТФ + βγ;

взаимодействие α-субъединицы с аденилатциклазой приводит к изменению конфор-мации

фермента и его активации, увеличивается скорость образования цАМФ из АТФ;

конформационные изменения в комплексе [α-ГТФ][АЦ] стимулируют повышение ГТФ-фосфатазной активности α-субъединицы. Протекает реакция дефосфорилирования ГТФ, и один из продуктов реакции - неорганический фосфат (P i) отделяется от α-субъединицы, а комплекс [α-ГДФ] сохраняется; скорость гидролиза определяет время проведения сигнала;

образование в активном центре α-субъединицы молекулы ГДФ снижает его сродство к аденилатциклазе, но увеличивает сродство к βγ-субъединицам. G s -белок возвращается к неактивной форме;

если рецептор связан с активатором, например гормоном, цикл функционирования G s белка повторяется.

Аденилатциклазная система

• Введение 2
• Из истории открытия С-белков 8
• Структура и свойства 8
• Связь с мембраной 9
• Стуктурно-функциональная организация G -белков 9
• 10
• 10
• Регуляция активности G -белков 11
• Аденилатциклаза 12
• Фосфолипазы 13
• Протеинкиназы 14
• Фосфодиэстеразы 16
• Аденилатциклазная система 17
• Влияние бактериальных токсинов на активность аденилатциклазы (АДФ-рибозилирование G -белков) 20
• Инозитолфосфатная система 21
• 22
• Саморегуляция системы 23
• б- субъединица: общие свойства 23
• в и г субъединицы: общая характеристика 24
• G -белки: вг- субъединицы 25
• ГТФ-связывающие белки образуют два основных семейства G -белков и низкомолекулярных ГТФ-связывающих белков 28
• Литература 30

Введение

Сигнальные G-белки являются универсальными посредниками при передаче гормональных сигналов от рецепторов клеточной мембраны к эффекторным белкам, вызывающим конечный клеточный ответ. Когда семидоменная рецепторная молекула, локализованная в мембране сенсорной клетки, активируется какими-то изменениями во внешней среде, она претерпевает конформационные изменения. Последние детектируются

G-белками связанными с мембраной, которые, в свою очередь, активируют эффекторные молекулы в мембране. Часто это приводит к выделению вторичных мессенджеров в цитозоль.

Они являются объектом интенсивного изучения в связи с их участием во многих важных физиологических процессах. G-белки, участвующие в передаче сигнала, являются членами большого надсемейства гуанин-связывающих белков. G-белки - это прецизионные регуляторы, включающие или выключающие активность других молекул.

Примерно 80% первичных мессенджеров (гормоны, нейротрансмиттеры, нейромодуляторы) взаимодействуют со специфическими рецепторами, которые связаны с эффекторами через G-белки.

G-белки - белки, связывающие гуанозиновые нуклеотиды. G-белки, ассоциированные с рецепторами, связаны с мембраной. В неактивном состоянии они связаны с GDР. При связывании рецептора с лигандом ГДФ замещается на ГТФ, в результате чего происходит активация. Процесс этот сравнительно медленный, протекающий в течение секунд - десятков секунд.

G-белки биологических мембран имеют гетеротримерную структуру. Они состоят из большой б-субъединиц (около 45 килодальтон - кДа), а также меньших в и г-субъединиц, б-субъединица обладает ГТФ-азной активностью, в неактивной (выключенной) форме она связывает молекулу ГДФ на активном сайте. Субъединицы в и г связаны между собой, и в физиологических условиях не могут быть диссоциированы. В неактивном состоянии вг-комплекс непрочно связан с б-субъединицей. г-субъединица связана с цитоплазматическим листком биологической мембраны геранил-гераниловой цепью (20 атомов углерода в цепи), близкой по структуре к холестерину. б-субъединица также связана с мембраной жирной кислотой с длиной цепи в 14 атомов углерода (миристоевая кислота). Такие связи обеспечивают то, что комплекс G-белка удерживается в плоскости мембраны, но в то же время способен легко двигаться в этой плоскости. Легко себе представить, как весь комплекс G-белка с присоединенным ГДФ перемещается в плоскости мембраны под действием тепловых сил, два семейства белков - гетеротримерные гуанозиннуклеотид связывающие белки (G-белки) и отдаленно родственные им гуанозинтрифосфатазы (ГТФ-азы) при связывании ГТФ могут включаться и активировать последующие компоненты передачи сигнала от поверхности клетки. Малые ГТФ-азы участвуют в контроле фундаментальных свойств клетки - полярности формы и процессов деления и дифференцировки. G-белки обычно регулируют более специализированные сигналы - продукцию вторичных мессенджеров. И те и другие способны гидролизовать GTР и таким образом выключать сигнал.

Поскольку в - и г-субъединицы G-белков чрезвычайно консервативны, G-белки принято различать по их б-субъединицам. Кроме ГТФ-связывающего мотива, каждая последовательность Gальфа содержит как минимум один центр связывания дивалентных катионов, а также сайты ковалентной модификации бактериальными токсинами, катализирующими NAD-зависимые АДФ-рибозилтрансферазные реакции. G-белки, стимулирующие аденилатциклазу (Gs) или участвующие в фототрансдукции (Gt, трансдуцин) служат субстратами для АДФ-рибозилирования, катализируемого холерным токсином по одному из остатков аргинина, что приводит к блокированию деактивации этих белков. Gs, G-белок, ингибирующий аденилатциклазу, (Gi) и G-белок с пока еще неизвестной функцией (Go) АДФ-рибозилируются коклюшным токсином по остатку цистеина, расположенному у С-конца. Эта модификация препятствует взаимодействию между G-белком и рецепторами. Определена последовательность G-белка крысы (Gx), который оказался нечувствительным к коклюшному токсину.

G-белки - это регуляторные белки, связывающие при активации ГТФ. Лучше всего изучены G-белки, стимулирующие и ингибирующие аденилатциклазу (Gs - белки и Gi-белки соответственно). вэ - адренорецепторы, в2 - адренорецепторы и D1 рецепторы сопряжены с белком Gs, и поэтому стимуляция этих рецепторов сопровождается активацией аденилатциклазы и повышением внутриклеточной концентрации цАМФ - классического второго (внутриклеточного) посредника. Конечный ответ в разных клетках различен и зависит от того, что представляет собой эффекторные фрагменты (фермент, ионный канал и пр) б2- адренорецепторы, М2-холинорецепторы и D2-рецепторы сопряжены с белком Gi, и стимуляция этих рецепторов приводит к снижению активности аденилатциклазы и внутриклеточной концентрации цАМФ. Изменения активности ферментов и других внутриклеточных белков и, соответственно, клеточных функций при этом противоположны тем, что наблюдаются при активации белка Gs. б1-адренорецепторы (как и М1-холинорецепторы), видимо, сопряжены с другим, пока еще мало изученным типом G-белка. Этот белок иногда обозначают Gq. Он активирует фосфолипазу С, катализирующую распад мембранных фосфолипидов, в частности - фосфатидилинозитол-4,5-дифосфата до ИЗФ и ДГА. Оба эти вещества являются вторичными посредниками.

Связывание агониста (гормона, нейромедиатора и др.) с соответствующим рецептором приводит к белок-белковому взаимодействию между рецептором и G-белком и ускоряет диссоциацию ГДФ. В результате образуется короткоживущий комплекс агонист - рецептор - G-белок, не связанный ни с каким нуклеотидом. Связывание с этим комплексом молекулы ГТФ снижает сродство рецептора к G-белку, что приводит к диссоциации комплекса и высвобождению рецептора. Потенциально рецептор может активировать большое количество молекул G-белка, обеспечивая, таким образом, высокий коэффициент усиления внеклеточного сигнала на данном этапе. Активированная б-субъединица G-белка диссоциирует от вг-субъединиц и вступает во взаимодействие с соответствующим эффектором, оказывая на него активирующее или ингибирующее воздействие.

б-субъeдиница с присоединенным с ней ГТФ способна взаимодействовать с эффектором в мембране - ферментами, такими, как аденилатциклаза, или, возможно, ионными каналами. Фермент может активироваться или ингибироваться, а ионный канал - открываться или закрываться. Конкретные примеры будут рассмотрены в последующих разделах. Взаимодействие с эффектором, однако, длится до тех пор, пока б - субъединица, являющаяся ГТФазой, удерживает ГТФ. Так что, очень вскоре присоединенный ГТФ гидролизуется до ГДФ. Когда это происходит, б - субъединица снова меняет свою конформацию и теряет способность активировать эффектор. После этого б-ГДФ взаимодействует с вг-комплексом и снова образует тримерный комплекс, завершая, таким образом, цикл. Предполагают также, что комплекс из вг-субъединиц тоже может (прямо или опосредованно) влиять на эффекторные ферменты.

Такими ферментами являются аденилатциклаза, фосфолипаза С. G-белки также регулируют работу К и СаІ+-ионных каналов, К G-белкам относятся полипептид Gs, стимулирующий аденилатциклазу и регулирующий СаІ+-ионные каналы, полипептид Gi, ингибирующий аденилатциклазу, и регулирующий К+-каналы в клетках тканей мозга, Gt, трансдуцин, участвующий в передаче светового сигнала, Golf специфичный белок обонятельных ресничек и др. Все G-белки являются гетеротримерами, состоящими из субъединиц б, в‚ и г в порядке уменьшения молекулярной массы.

Впоследствии ГТФ, связанный с б-субъединицей G-белка, подвергается гидролизу, причем ферментом, катализирующим этот процесс, является сама б-субъединиц. Это приводит к диссоциации б-субъединицы от эффектора и реассоциации комплекса б-ГДФ с вг - субъединицами. Спонтанная активация G-белка, связанного с ГДФ - весьма маловероятный процесс.

Этот же механизм лежит в основе гормональной регуляции фосфоинозитидспецифичной фосфолипазы С и фосфолипаза А2. Кроме того, было показано, что G-белки могут непосредственно активировать ионные каналы.

Лимитирующей стадией процесса восстановления исходного состояния G-белка является скорость диссоциации ГДФ от б-субъединицы G-белка. Скорость диссоциации увеличивается при взаимодействии G-белок-ГДФ с агонистсвязанным рецептором. Связывание ГТФ G-белком приводит, очевидно, к образованию комплекса агонист-рецептор-G-белок. Аналог GТР-СТР-г-S и Мg2+ усиливает диссоциацию б-субъединицы из тримера G-белка. Однако следует заметить, что каталитическая субъединица аденилатциклазы из мембран мозга быка хроматографически соочищается с б - и в-субъединицами Gs-белка и вопрос диссоциации б-субъединиц из тримера G-белка для активации эффектора требует уточнения.

G-белки проявляют значительный полиморфизм. Каждая из форм субъединиц G-белка высокогомологична по структуре, близка по функциям, но отличается молекулярной массой и электрофоретической подвижностью. Особенно широк полиморфизм и наиболее изучен для бs и бi G-белков. Так из мозга человека выделено 11 форм ДНК, ответственных за синтез бs-субъединиц, четыре вида которых клонированы и, предполагается, что они определяют синтез четырех изоформ бs, в мозге человека. Для бi найдены, в основном, три изоформы бi1, бi2, бi3. Молекулярные массы изоформы бs находятся в пределах 42-55 кДа, а бi 39-41 кДа. Распределение молекулярных вариантов бi носит тканеспецифический характер: бi1 представлена, в основном, в мозге, бi2 обнаружена в нервной ткани и в клетках крови, бi3 представлена в периферических тканях и отсутствует в мозге. Распределение генов, кодирующих синтез трех изоформ бi по тканям примерно совпадает в ряду: человека, бык, крыса, мышь. Определение аминокислотной последовательности бi и бs показало, что изоформы бs или бi различаются в области С - и N - концевой последовательности, связывающихся с рецептором или эффектором. Предполагается, что полиморфизм б-субьединиц определяется многообразием рецепторов и их подтипов и разнообразием эффекторных систем.

бi-субъединицы Gi кодируются тремя различными структурными генами. Что касается изоформ б-субъединиц Gs-белков, то пока неясно, кодируются ли изоформы разными структурными генами или это продукт одного гена с последующим внутренним альтернативным сплайсингом исходного РНК-транскрипта, или множественность их результат посттрансляционной модификации. В настоящее время известно 9 структурных генов, кодирующих G-белки и 12 продуктов этих генов.

Из истории открытия С-белков

1. 1971г. - впервые показана необходимость ГТФ для стимуляции аденилатциклазы глюкагоном.

2. 1981г. - выделен белок Gt-трансдуцин, связывающий родопсин с фосфодиэстеразой с ГТФ фоторецепторов.

З. 1983г - выделен ГТФ-связываюший белок Gs, сопрягающий стимулирующие рецепторы с аденилатциклазой.

4. 1985-1988гт - показано, что фосфолипаза С и фосфолипаза А2 регулируются гормонами и нейротрансмиттерами через Gp-белки.

5. В настоящее время G-белки разделены на несколько типов: четыре Gs, три Gi, Go, Gz/x (центральная нервная система и селезенка), Gt (трансдуцин), Golf (обонятельные нейроэпителиальные клетки).

Структура и свойства

1. G-белки - гетеротримеры, в которых б-субъединица непрочно связана с димером в-г.

2. Все известные б-субъединицы (мол. масса - 50кДа) гомологичны, и у большинства из них одинаковые (или очень сходные) b-субъединицы (мол. масса З5кДа) и г-субъединицы (мол. масса 8кДа).

З. б-субъединица определяет специфичность связывания G-белка с рецептором и эффектором, уникальна для каждого G-белка.

4. б-субъединица связывает и гидролизует ГТФ (ГТФ-аза).

5. б-субъединица содержит высоко консервативный домен связывания и гидролиза ГТФ (18 аминокислот из 350-395).

6. Выявлены участки связывания гуаниновых нуклеотидов и участки взаимодействия с рецепторами (С-конец) и вг-димерами (N-конец).

7. Выявлены участки АDР-рибозилирования (аргинин-202) при действии холерного токсина и коклюшного токсина.

Связь с мембраной

G-белки локализованы на внутренней поверхности плазматической мембраны. Первичная структура всех субъединиц G-белков не содержит гидрофобных, пронизывающих мембрану доменов.

1. Ассоциации G-белков с мембраной содействует ацилирование жирнокислотными радикалами. Выявлено два типа липидных модификаций субъединиц G-белков: миристоилирование и изопренилирование белковой цепи.

2. Показано для б-субъединиц Go - и Gi-белков посттрансляционное миристоилирование со стороны N-конца.

З. Для вг-субъединиц также показаны посттрансляционные модификации (ацилирование).

4. Выявлены три последовательные посттрансляционные модификации, ответственные за связывание ras-белков с мембраной.

5. Очищенные б-субъединицы проявляют гидрофильные свойства (без вг - комплекса не могут связываться с искусственными фосфолипидными пузырьками).

Стуктурно-функциональная организация G-белков

G-белки (ГТФ-связывающие белки) - универсальные посредники при передаче сигналов от рецепторов к ферментам клеточной мембраны, катализирующим образование вторичных посредников гормонального сигнала. G-белки - олигомеры, состоящие из б, в и г-субъединиц. Состав димеров вг незначительно различаются в разных тканях, но в пределах одной клетки все G-белки, как правило, имеют одинаковый комплект вг-субъединиц. Поэтому G-белки принято различать по их б-субъединицам. Выявлено 16 генов, кодирующих различные б-субъединицы G-белков. Некоторые из генов имеют более одного белка, вследствие альтернативного сплайсинга РНК.

Каждая а-субъединица в составе G-белка имеет специфические центры:

связывания ГТФ или ГДФ;

взаимодействия с рецептором;

связывания с вг-субъединицами;

фосфорилирования под действием протеинкиназы С;

взаимодействия с ферментом аденилатциклазой или фосфолипазой С.

В структуре G-белков отсутствуют б-спиральные, пронизывающие мембрану домены. G-белки относят к группе "заякоренных" белков.

Классификация по чувствительности к токеинам

1. ХТ (холерный токсин) приводит к постоянной активации аденилатциклазы (подавляя ГТФ-азную активность Аs-субъединицы)

2. КТ (коклюшный токсин) тоже вызывает АDР-рибозилирование б-субъединицы. Однако в этом случае модификация G-белка препятствует его взаимодействию с рецепторами, поэтому при активации рецептора А не ингибируется.

По чувствительности к холерному и коклюшному токсинам G-белки можно разбить на четыре группы: чувствительные только к холерному токсину (Gs), только к коклюшному (Gi и Go), субстраты обеих токсинов (Gt) и G-белки, б-субъединицы которых не чувствительны ни к одному из токсинов.

Сопряжение с эффекторными системами

ГТФ-связываюшие белки управляют несколькими мембранными ферментами и рядом ионных каналов.

Вероятно с G-белками взаимодействует цитоскелет, благодаря чему гормоны регулируют секрецию и эндоцитоз. Из мембранных и внутриклеточных мишеней G-белков лучше всего изучены аденилатциклаза и фосфодиэстераза ГМФ сетчатки глаза, активируемые, соответственно, Gzx и трансдуцином. Эти два фермента принципиально отличаются друг от друга по структуре и механизму их регуляции G-белками.

В отношении активации других G-белок зависимых систем ясности нет. G - белки опосредуют не только активирующее, но и ингибирующее действие агонистов на внутриклеточные эффекторные системы. G-белок зависимое ингибирование показано для аденилатциклазы, потенциалправляемых кальциевых каналов, фосфолипазы С, Nа/К-АТФазы.

Исходя из данных, можно предположить, что существует два механизма G-белок зависимого ингибирования аденилатциклазы. Один из них обусловлен действием вг-субъединиц и, видимо, одинаков для всех G-белков, т.к вг-субъединицы у них сходные. Второй механизм заключается в специфическом ингибировании аденилатциклазы б-субъединицей белка Gi.

Регуляция активности G-белков

Различают неактивную форму G-белка - комплекс бвг-ГДФ и активированную форму бвг-ГТФ. Активация G-белка происходит при взаимодействии с комплексом активатор-рецептор, изменение конформации G-белка снижает сродство б-субъединицы к молекуле ГДФ и увеличивает к ГТФ.

Замена ГДФ на ГТФ в активном центре G-белка нарушает комплементарность между б-ГТФ и вг-субъединицами. Рецептор, связанный с сигнальной молекулой, может активировать большое количество молекул G-белка, таким образом обеспечивая усиление внеклеточного сигнала на этом этапе.

Активированная б-субъединица G-белка (б-ГТФ) взаимодействует со специфическим белком клеточной мембраны и изменяет его активность. Такими белками могут быть ферменты аденилатциклаза, фосфолипаза С, фосфодиэстераза цГМФ, Nа+-каналы, K+-каналы.

Следующий этап цикла функционирования G-белка - дефосфорилирование ГТФ, связанного с б-субъединицей, причём фермент, катализирующий эту реакцию, - сама б-субъединица.

Дефосфорилирование приводит к образованию комплекса б-ГДФ, который не комплиментарен специфическому белку мембраны (например аденилатциклазе), но имеет высокое сродство к вг-протомерам. G-белок возвращается к неактивной форме - бвг-ГДФ. При последующей активации рецептора и замене молекулы ГДФ на ГТФ цикл повторяется снова. Таким образом, бвг-субъединицы G-белков совершают челночное движение, перенося стимулирующий или ингибирующий сигнал от рецептора, который активирован первичным посредником (например, гормоном), на фермент, катализирующий образование вторичного посредника.

Некоторые формы протеинкиназ могут фосфорилировать б-субъединицы G - белков. Фосфорилированная б-субъединица не комплиментарна специфическому белку мембраны, например аденилатциклазе или фосфолипазе С, поэтому не может участвовать в передаче сигнала.

Аденилатциклаза

Фермент аденилатциклаза, катализирующий превращение АТФ в цАМФ - ключевой фермент аденилатциклазной системы передачи сигнала. Аденилатциклаза обнаружена во всех типах клеток.

Фермент относят к группе интегральных белков клеточной мембраны, он имеет 12 трансмембранных доменов. Внеклеточные фрагменты аденилатциклазы гликозилированы. Цитоплазматические домены аденилатциклазы имеют два каталитических центра, ответственных за образование цАМФ - вторичного посредника, участвующего в регуляции активности фермента протеинкиназы А.

На активность аденилатциклазы оказывают влияние как внеклеточные, так и внутриклеточные регуляторы. Внеклеточные регуляторы (гормоны, эйкозаноиды, биогенные амины) осуществляют регуляцию через специфические рецепторы, которые с помощью б-субъединиц G-белков передают сигналы на аденилатциклазу. бs-субъединица (стимулирующая) при взаимодействии с аденилатциклазой активирует фермент, бi-субъединица (ингибирующая) ингибирует фермент. В свою очередь, аденилатциклаза стимулирует проявление ГТФ-фосфатазной активности б-субъединиц. В результате дефосфорилирования ГТФ образуются субъединицы бs-ГДФ и бi-ГДФ, некомплементарные аденилатциклазе.

Из 8 изученных изоформ аденилатциклазы 4 - Са2+-зависимые (активируются Са2+). Регуляция аденилатциклазы внутриклеточным кальцием позволяет клетке интегрировать активность двух основных вторичных посредников цАМФ и Са2+.

Фосфолипазы

Фосфолипазы - ферменты класса гидролаз, катализирующие катаболизм глицерофосфолипидов. Различают фосфолипазы секреторные, входящие в состав панкреатического сока, и клеточные фосфолипазы. Клеточные фосфолипазы А1, А2, D, С различаются по специфичности к отщепляемой группе. Все фосфолипазы - кальций зависимые ферменты.

Фосфолипаза С - фермент, гидролизующий фосфоэфирную связь в глицерофосфолипидах. В клетках человека идентифицировано 10 изоформ фосфолилазы С, различающихся по молекулярной массе, локализации, способу регуляции, субстратной специфичности. В структуре всех изоформ фосфолипазы С отсутствуют гидрофобные домены, которые могли бы обеспечить их взаимодействие с мембраной. Однако некоторые формы фосфолипазы С связаны с мембраной с помощью гидрофобного "якоря" - ацильного остатка миристиновой кислоты или за счёт взаимодействия с поверхностью бислоя. Каталитическая активность всех изоформ фосфолипазы С зависит от ионов кальция.

Большинство фосфолипаз С специфично в отношении фосфатидилинозитолов и практически не гидролизует другие типы фосфолипидов. Активный фермент может гидролизовать до 50% от общего количества фосфатидилинозитолов клеточной мембраны. При гидролизе фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата (ФИФ2) образуются гидродугты диацилглицерол (ДАГ) и инозитол-1,4,5-трифосфат (ИФ3), служащие вторичными посредниками в трансмембранной передаче сигнала по инозитолфосфатному пути.

Протеинкиназы

Все полярные сигнальные молекулы, действующие на клетку-мишень через мембранные рецепторы, осуществляют свою биологическую функцию путём фосфорилирования специфических белков и ферментов, регулирующих метаболизм в клетке. Фосфорилирование изменяет (увеличивает или уменьшает) их активность. Катализируют фосфорилирование белков (протеинов) протеинкиназы по аминокислотным остаткам серина, треонина, тирозина. Протеинкиназы могут быть субъединицей мембранного рецептора, например тирозиновая протеинкиназа рецептора инсулина, активность которой регулируется гормоном. другая группа - протеинкиназы, регулируемые вторичными вестниками гормонального сигнала (цАМФ, цГМФ, Са, ДАГ), например протеинкиназа А, протеинкиназа С, протеинкиназа G, кальмодулинзависимые протеинкиназы и др.

1. Протеинкиназы А

Протеинкиназы А (цАМФ-стимулируемые) участвуют в аденилатциклазной системе передачи сигнала. Протеинкиназа А состоит из 4 субъединиц R2C2 - двух регуляторных субъединиц (R2) и двух каталитических (C2). Комплекс R2C2 не обладает ферментативной активностью.

Комплекс R2C2 разными способами прикрепляется к мембране. Некоторые формы протеинкиназы А "заякориваются" с помощью алифатического остатка миристиновой кислоты каталитических субъединиц. Во многих тканях протеинкиназа А связана с "заякоренным" белком АКАРs (от англ. сАМР - dependent protein kinase anchoring proteins). АКАРs имеет центр связывания для регуляторных субъединиц протеинкиназы А. С помощью белка АКАРs протеинкиназа А связывается с мембраной в области локализации ферментов, катализирующих образование цАМФ (аденилатциклаза) или его гидролиз (фосфодиэстераза), а также белков, в регуляции активности которых фермент принимает участие, например потенциалзависимые Са2+-каналы.

Регуляторные субъединицы протеинкиназы А имеют специфические центры для связывания цАМФ. Присоединение цАМФ к регуляторным субъединицам приводит к изменению конформации последних и снижению сродства каталитическим субъединицам С, происходит диссоциация по схеме:

цАМФ4 + R2C2 = цАМФ4R2 + С + С

Субъединицы С представляют собой активную форму протеинкиназы А, которая катализирует реакции фосфорилирования белков по серину и треонину. Каталитические субъединицы С у разных типов протеинкиназ А не идентичны, они различаются прежде всего специфичностью в отношении белков-субстратов.

2. Протеинкиназы С

Протеинкиназы С участвуют в инозитолфосфатной системе передачи сигнала. Фермент состоит из двух функционально различных доменов - регуляторного и каталитическоо. Регуляторный домен содержит 2 структуры ("цинковые пальцы"), образованные фрагментами пептидной цепи, богатыми цистеином, и содержащими два иона цинка. "Цинковые пальцы" участвуют в связывании: диацилглицерола. Другой фрагмент регуляторного домена имеет высокое сродство к Са2+. Повышение концентрации кальция в цитозоле увеличивает сродство протеинкиназы С к фосфатидилсерину мембраны. Транслокация протеинкиназы С к мембране позволяет ферменту связаться с ДАГ, который ещё больше повышает сродство протеинкиназы С к ионам кальция. Наиболее распространённые изоформы протеинкиназы С активируются Са2+, диацилглицеролом и фосфатидилсерином.

Каталитический домен имеет центр, связывающий АТФ и белок-субстрат. Активная форма фермента протеинкиназы С фосфорилирует белки по остаткам серина и треонина. Снижение концентрации ионов кальция в клетке нарушает связь протеинкиназы С с фосфатидилсерином и диацилглицеролом, фермент переходит в неактивную форму и отделяется от мембраны.

3. Протеинкиназы G

В отличие от протеинкиназы А, протеинкиназа G присутствует не во всех тканях, её обнаруживают в лёгких, мозжечке, гладких мышцах и тромбоцитах. Изоформы протеинкиназы G могут быть связаны с мембраной или находиться в цитоплазме. Растворимая протеинкиназа G состоит из двух идентичных субъединиц, каждая из которых имеет два центра для связьвания цГМФ. Присоединение цГМФ к регуляторным центрам вызывает конформационные изменения субъединиц и повышает каталитическую активность фермента. Протеинкиназа G, подобно протеинкиназе А и С, специфична в отношении определенных белковых субстратов, которые она фосфорилирует по остаткам серина и треонина.

Фосфодиэстеразы

Фосфодиэстеразы - ферменты, катализирующие превращение цАМФ или цГМФ в неактивные метаболиты АМФ или ГМФ. Фосфодиэстеразы, снижая концентрации вторичных посредников, разрывают цепь превращений, вызванных активатором рецептора.

Фосфодиэстеразы присутствуют в клетках тканей в 2 формах: в форме растворимого белка и мембранносвязанного. Формы фермента, связанные с мембраной, в разных тканях составляют 5-40%. В одной и той же ткани могут присутствовать разные формы фосфодиэстеразы, различающиеся по сродству к субстратам, молекулярному весу, заряду, регуляторным свойствам и локализации в клетке.

Фосфодиэстеразы циклических нуклеотидов не обладают абсолютной специфичностью, поэтому, как правило, одна и та же форма фермента способна гидролизовагь как цАМФ, так и цГМф. Однако скорости гидролиза этих двух нуклеотидов под действием одной и той же фосфодиэстеразы могут значительно различаться. Это зависит от того, какая фосфодиэстераза присутствует в клетке - более специфичная в отношении цАМФ или более специфичная к цГМФ, от соотношения концентраций цАМФ и цГМФ в клетке и от действия регуляторов фосфодиэстеразы.

В большинстве тканей присутствует фосфодиэстераза - 1, более специфичная к цАМФ, активируемая Са2+, комплексом 4Са2+-кальмодулин и цГМФ.

Аденилатциклазная система

При участии аденилатциклазной системы реализуются эффекты сотни

различных по своей природе сигнальных молекул гормонов, нейромедиаторов, эйкозаноидов.

Функционирование системы трансмембранной передачи сигналов обеспечивают белки: Rs-рецептор сигнальной молекулы, которая активирует аденилатциклазу, и Ri-рецептор сигнальной молекулы, которая ингибирует аденилатциклазу; Gs-стимулирующий и Gi-ингибирующий аденилатциклазу белки; ферменты аденилатциклаза (АЦ) и протеинкиназа А (ПКА).

Последовательность событий, приводящих к активации аденилатциклазы:

связывание активатора аденилатциклазной системы, например гормона (Г) с рецептором Rs, приводит к изменению конформации рецептора и увеличению его сродства к Gs-белку. В результате образуется комплекс [Г] [R] ;

присоединение [Г] [R] к G-ГДФ снижает сродство б-субъединицы Gs-белка к ГДФ и увеличивает сродство к ГТФ. ГДФ замещается на ГТФ;

это вызывает диссоциацию комплекса. Отделившаяся субъединица б, связанная с молекулой ГТФ, обладает сродством к аденилатциклазе:

[Г] [R] = [Г] [R] + б-ГТФ + вг

взаимодействие б-субъединицы с аденилатциклазой приводит к изменению конформации фермента и его активации, увеличивается скорость образования цАМФ из АТФ;

конформационные изменения в комплексе [б-ГГФ] [АЦ] стимулируют повышение ГТФ-фосфатазной активности б-субъединицы. Протекает реакция дефосфорилирования ГТФ, и один из продуктов реакции - неорганический фосфат (Р) отделяется от б-субъединицы, а комплекс [б-ГДФ] сохраняется; скорость гидролиза определяет проведения сигнала;

образование в активном центре б-субъединицы молекулы ГДФ снижает его сродство к аденилатциклазе, но увеличивает сродство к вг-субъединицам. Gs-белок возвращается к неактивной форме;

если рецептор связан с активатором, например гормоном, цикл функционирования Gs-белка повторяется. Активация протеинкиназы А (ПКА)

молекулы цАМФ могут обратимо соединяться с регуляторными субъединицами ПКА

присоединение цАМФ к регуляторным субъединицам (R) вызывает диссоциацию комплекса С2R2 на комплекс цАМФ4R2 и С + С

активная протеинкиназа А фосфорилирует специфические белки по серину и треонину, в результате изменяются конформация и активность фосфорилированных белков, что приводит к изменению скорости и направления регулируемых ими процессов в клетке.

концентрация цАМФ в клетке может регулироваться, она зависит от соотношения активностей ферментов аденилатциклазы и фосфодиэстеразы.

Большую роль в регуляции внутриклеточной сигнальной системы играет белок АКАРs. "Заякоренный" белок АКАРs участвует в сборке ферментных комплексов, включающих не только протеинкиназу А, но и фосфодиэстеразу и фосфопротеинфосфатазу.

Каскадный механизм усиления и подавления сигнала. Передача сигнала от мембранного рецептора через G-белок на фермент аденилатциклазу служит примером каскадной системы усиления этого сигнала. Одна молекула, активирующая рецептор, может "включать" несколько G-белков и затем каждый активирует несколько молекул аденилатциклазы с образованием тысяч молекул цАМФ. На этом этапе сигнал усиливается в 10І-10і раз. Образующийся цАМФ "включают" другой фермент - протеинкиназу А, усиливая сигнал ещё в 1000 раз. Фосфорилирование ферментов протеинкиназой. А ещё больше усиливает сигнал, в результате суммарное усиление равно 106-107 раз. Таким образом, по механизму каскадного усиления одна молекула регулятора способна изменить активность миллионов других молекул.

Но для любой из систем трансмембранной передачи сигнала клетка имеет другую систему, подавляющую этот сигнал. Каждый из этапов в ферментном каскаде находится под контролем специальных подавляющих этот сигнал механизмов. Например, длительное действие гормона приводит к десенсибилизации мембранных рецепторов: они либо инактивируются, либо вместе с гормоном погружаются в клетку посредством эндоцитоза. В результате десенсибилизации рецепторов степень активации аденилатциклазной системы снижается. Если в клетке длительное время повышена концентрация цАМФ (повышена активность протеинкиназы А), может происходить фосфорилирование кальциевых каналов, что приводит к повышению концентрации СаІ+ в клетке. Калций активирует СаІ+-зависимую фосфодиэстеразу, катализирующую превращение цАМФ в АМФ. В результате инактивации протеинкиназы А (R2С2) снижается скорость фосфорилирования специфических ферментов. Завершает "выключение" системы фосфопротеинфосфатаза, дефосфорилирующая фосфопротеины.

Влияние бактериальных токсинов на активность аденилатциклазы (АДФ-рибозилирование G-белков)

Для изучения функционирования G-белков аденилатциклазной системы были использованы экзогенные бактериальные яды холерный и коклюшный токсины. Токсины в экспериментальных условиях повышают активность аденилатциклазы практически во всех клетках организма; так, холерный токсин может стимулировать секрецию тиреоидных гормонов клетками щитовидной железы, стероидных гормонов клетками надпочечников, распад жиров в жировых клетках. Реакция разных клеток на холерный токсин вызвана повышением уровня цАМФ в этих клетках.

Холерный токсин - олигомерный белок. Одна из субъединиц фермент АДФ-рибозилтрансфераза; проникая в клетку, она катализирует присоединение АДФ-рибозы к бs-субъединице комплекса [бs - ГТФ] [АЦ] (этап активации аденилатциклазы).

NAD+ + [бs, - ГТФ] [АЦ] - [АДФ - рибозил - бs ГТФ] [АЦ] +никотинамид + Н+

АДФ-рибозилирование ингибирует проявление ГТФ-фосфатазной активности бs - субъединицы, не происходит дефосфорилированние ГТФ. Цикл функционирования G-белка останавливается на этапе активации фермента аденилатциклазы, отвечающего за образование цАМФ из АТФ. Фермент аденилатциклаза сохраняет повышенную активность в течение длительного времени.

Субъединица коклюшного токсина, проникая в клетку, катализирует АДФ-рибозилирование бi-субъединицы активированного Gi-белка(бi вг-ГТФ).

NAD+ [бi вг-ГТФ] - [АДФ-рибозил-бi вг-ГТФ] + никотинамид + Н+

Модифицированная бi - субъединица сохраняет высокое сродство к вг - субъединицам, те. Gi-белок теряет способность диссоциировать на бi - ГТФ и вг-субъединицы. Таким образом, ингибирующий сигнал (бi-ГТФ) не достигает аденилатциклазы, значит в этом случае возможна только её активация при связывании с бs-ГТФ. Действие коклюшного токсина на клетки тканей всегда приводит к повышению уровня цАМФ.

Симптомы холеры и коклюша развиваются в результате действия токсинов, вырабатываемых соответствующими микроорганизмами.

Инозитолфосфатная система

Функционирование инозитолфосфатной системы трансмембранной передачи сигнала обеспечивают: R (рецептор), фосфолипаза С, Gрlс - белок, активирующий фосфолипазу С, белки и ферменты мембран и цитозоля.

Последовательность событий, приводящих к активации фосфолипазы С:

связывание сигнальной молекулы, например гормона с рецептором (R) вызывает изменение конформации и увеличение сродства к Gplc-белку.

образование комплекса [Г] [R] приводит к снижению сродства б-протомера G рlс белка к ГДФ и увеличению сродства к ГТФ. ГДФ заменяется на ГТФ.

это вызывает диссоциацию комплекса; отделившаяся б-субъединица, связанная с молекулой ГТФ, приобретает сродство к фосфолипазе С.

б-ГТФ взаимодействует с фосфолипазой С и активирует её. Под действием фосфолипазы С происходит гидролиз липида мембраны фосфатидилинозитол-4,5 - биофосфата (ФИФ2).

в ходе гидролиза образуется и выходит в цитозоль гидрофильное вещество инозитол-1,4,5-трифосфат (ИФ3). Другой продукт реакции диацилглицерол (ДАГ) остаётся в мембране и участвует в активации фермента протеинкиназы С (ПКС).

инозитол-1,4,5-трифосфат (ИФ3) связывается специфическими центрами Са2 - канала мембраны ЭР, это приводит к изменению конформации белка и открытию канала - СаІ+ поступает в цитозоль. В отсутствие в цитозоле ИФ3 канал закрыт.

Активация протеинкиназы С.

* Повышение концентрации СаІ+ в цитозоле клетки увеличивает скорость

взаимодействия СаІ+ с неактивным цитозольным ферментом протеинкиназой С(ПКС) и белком кальмодулином, таким образом сигнал, принятый рецептором клетки, раздваивается.

* Связывание протеинкиназы С с ионами кальция позволяет ферменту вступать в кальций-опосредованное взаимодействие с молекулами "кислого" фосфолипида мембраны, фосфатидилсерина (ФС). Диацилглицерол, занимая специфические центры в протеинкиназе С, ещё более увеличивает её сродство к ионам кальция.

* На внутренней стороне мембраны образуется ферментативный комплекс - [ПКС] [СаІ+] [ДАГ] [ФС] - активная протеинкиназа С, фосфорилирующая специфические ферменты по серину и треонину.

Участие белка кальмодулина в инозитолфосфатной передаче сигнала

В клетках многих тканей присутствует белок кальмодулин, который функционирует как внутриклеточный рецептор СаІ+, он имеет 4 центра для связывания СаІ+. Комплекс [кальмодулин] - не обладает ферментативной активностью, но взаимодействие комплекса с различными белками и ферментами приводит к их активации.

Саморегуляция системы

Как и большинство систем трансмембранной передачи сигналов, инозитолфосфатная система имеет не только механизм усиления, но и механизм подавления сигнала. Присутствующие в цитозоле инозитол-1,4,5-трифосфат ((ИФ3) и диацилглицерол (ДАГ) в мембране могут в результате серии реакций опять превращаться в фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат (ФИФ2). Ферменты, катализирующие восстановление фосфолипида, активируются фосфорилированием протеинкиназой С.

Концентрация СаІ+ в клетке снижается до исходного уровня при действии СаІ+-АТФ-аз цитоплазматической мембраны и ЭР, а также Na+/СаІ+-и Н+/СаІ+-транслоказ (активный антипорт) клеточной и митохондриальной мембран.

Функционирование транслоказ СаІ+ и СаІ+-АТФ-аз может активироваться:

комплексом [камьмодулин] ;

протеинкиназой А (фосфорилированием);

протеинкиназой С (фосфорилированием). Понижение концентрации Са2 в клетке и диацилглицерола в мембране приводит к изменению конформации протеинкиiiазы С, снижению её сродства к фосфатидилсерину, фермеiтт диссоциирует в цитозоль (неактивная форма).

Фосфорилированные протеинкиназой С ферменты и белки под действием фосфопротеинфосфатазы переходят в дефосфорилированную форму.

б-субъединица: общие свойства

б-субъединица играет главную роль в функционировании G-белков. Она связывает ГТФ. Она обратимо взаимодействует с в и г субъединицами, присоединяясь к ним, когда в центре находится ГДФ и диссоциируя, когда в центре ГТФ. При связывании ГТФ б субъединица активируется и приобретает способность регулировать эффекторные системы внутриклеточные. б субъединицы части G-белков могут подвергаться химическим модификациям. Под воздействием холерного и коклюшного токсинов происходит ФДФ-риболизирование белков по аргининовому и цистеиновому остатку на С-конце, в результате чего нарушается нормальное функционирование G-белков.

Кроме того, протеинкиназа С может фосфорилировать б-субъединицу очищенного G-белка, а in vivо белка Gz. По-видимому белки при этом инактивируются.

Большинство G-белков имеет б-субъединицы с молекулярным весом около 40 Кд.

в и г субъединицы: общая характеристика

Бета и гамма субъединицы образуют комплекс друг с другом, распадающийся только в денатурирующих условиях. До конца их роль не ясна. В экспериментах с трансдуцином, а затем с белком Gi было показано, что субъединицы бета и гамма необходимы для взаимодействия G-белка с рецептором и замещения ГДФ на ГТФ.

Бета-гамма комплекс прочно связан с мембраной и служит якорем для б-субъединицы. При отделении б-субъединицы бета-гамма комплекс может переходить в цитоплазму.

Кроме связывания и ингибирования активности б-субъединицы бета - гамма комплекс в некоторых случаях оказывает прямое воздействие на эффекторные системы клетки. Он активирует фосфолипазу А2, взаимодействует с кальмодулином благодаря чему ингибирует активность аденилатциклазы мозга. G-бета-гамма комплекс ингибирует стимуляцию

АС1 по средством Gs-альфа.

АС2 стимулируется связыванием G-бета-гамма, но только в присутствии Gs - альфа.

АС3 также стимулируется G-бета-гамма. Калиевые каналы сердца открываются при связывании Gs-альфа и G-бета-гамма. Мембрана клеточная: стимуляция гидролиза фосфолипидов. Мембрана клеточная: изменение содержания цАМФ.

G-белки: вг-субъединицы

Фосфорилирование рецепторов является одним из механизмов регуляции их активности. вг-субъединицы G-белков могут осуществлять отрицательную обратную связь, активируя протеинкиназы, которые фосфорилируют рецепторы. Эти протеинкиназы называются GRК. К GRК протеинкиназам относятся родопсинкиназа и в-адренергическая киназа. Фосфорилирование приводит к удалению рецептора киназа. Например, мускариновые и адренорецепторы, фосфорилированные по серину и треонину на С-концевом домене, становятся мишенью для связывания арристина, что подготавливает их для удаления эндоцитозом. Обычно на С-конце рецептора есть несколько участков для фосфорилирования различными протеинкиназами. Известно, что слабый стимул (низкая концентрация агониста) активирует протеинкиназу А, а сильный стимул активирует b-АRК протеинкиназу, которая, фосфорилируя рецептор, прерывает передачу сигнала на аденилатциклазу и прекращает производство сАМР. Фосфорилирование, осуществляемое протеинкиназой А происходит тогда, когда занято 10% рецепторов. При этом фосфорилирование уже других, не занятых, рецепторов приводит к освобождению вг-субъединиц и соответствующему фосфорилированию другой протеинкиназой b-АRК.

вг-субъединицьт обеспечивают локализацию, эффективное связывание и дезактивацию б-субъединиц, регулируют сродство рецепторов к их активирующим лигандам, понижают способность GDР к диссоциации от субъединицы (стабилизация инактивированного состояния), открывает мускариновый К+-канал в сердце, закрывают Са2+ - канал в пресинаптической мембране, активируют фосфолипазу РLА2 и некоторые изоформы фосфолипазы С, регулируют сродство рецептора к агонисту.

ГТФ (GТР) - связывающие белки.

Передача сигналов от рецепторов, на внутриклеточные эффекторные системы осуществляется с помощью ГТФ-связывающих белков. ГТФ-связывающие белки активируются \ дезактивируются с помощью специального механизма - ГТФ-фазного цикла.

ГТФ-связывающие белки образуют два основных семейства G-белков и низкомолекулярных ГТФ-связывающих белков

Все эти белки сильно связывают ГТФ и превращают его в ГДФ, при этом происходит переход белка из активированного в неактивное состояние. Свойства ГТФ-связывающих белков. Основной структурной особенностью ГТФ-связывающих белков является наличие домена связывания гуаниновых нуклеотидов. Наличие соответствующих консенсусных аминокислотных последовательностей является однозначным указанием на принадлежность белка к данному семейству.