Особенности структуры и функций мембранных рецепторов

В плазматических мембранах про- и эукариотических кле­ток локализованы различные специализированные рецепторные системы, процессы функционирования которых включают реа­лизацию следующих стадий:

— связывание первичного мессенджера с рецептором;

— передачу информации о связывании внешнего сигнала с рецептором на мембранные белковые компоненты каскада;

— формирование первичного и вторичного клеточного ответа.

Обнаружены суперсемейства рецепторных белков со сходной

первичной структурой, но различными функциями, взаимодей­ствующих с определенным типом лигандов и вызывающих раз­витие специфического клеточного ответа (табл. 8).

Большинство рецепторов представлены олигомерными мемб­ранными белками - гликопротеинами. Функции рецепторов мо­гут выполнять и мембранные ганглиозиды. Взаимодействие ре­цепторов с лигандами специфично: молекулы — инициаторы трансмембранной передачи сигнала активируют рецепторы, воз­действуя на последние в концентрациях 10~⁸ моль/л и менее.

Таблица 8

Некоторые суперсемейства структурно родственных рецепторов мембран эукариот

Для обеспечения рецепторной функции молекулы белков дол­жны отвечать ряду требований:

а) обладать высокой избирательностью к лиганду;

б) кинетика связывания лиганда должна описываться кривой с насыщением, соответствующим состоянию полной занятости всех молекул рецепторов, число которых на мембране ограничено;

в) рецепторы должны обладать тканевой специфичностью, отражающей наличие или отсутствие данных функций в клет­ках органа-мишени;

г) связывание лиганда и его клеточный (физиологический) эффект должны быть обратимы, параметры сродства должны со­ответствовать физиологическим концентрациям лиганда.

Лиганд-рецепторные взаимодействия реализуются при помо­щи слабых нековалентыых сил: электростатических, ион-диполь- ных, ван-дер-ваальсовых и гидрофобных взаимодействий, водо­родных связей.

Рассмотрим основные свойства рецепторов плазматической мембраны клетки и формирование первичного ответа.

1. Рецепторы, сопряженные с G-белками

Эти рецепторы образуют комплекс с мембранными GTP-свя- зывающими белками (G-белками). Первичными сигналами для этих рецепторов служат низкомолекулярные гормоны и нейро­трансмиттеры (адреналин, норадреналин, ацетилхолин, серотонин, гистамин), пептидные и белковые гормоны (адренокортикотроп- ный гормон, соматостатин, вазопрессин, гонадотропные гормо­ны). Один и тот же первичный мессенджер может инициировать передачу сигнала с участием последовательности разных рецеп­торов G-белков. Эти рецепторы представляют собой мономерные интегральные мембранные белки, полипептидная цепь которых семь раз пересекает клеточную мембрану. При связывании ли­ганда с рецептором изменяется конформационное состояние ком­плекса рецептор G-белка — G-белок. В результате облегчается обмен связанного с G-белком GDP на GTP (рис. 15), Активиро-

Рис. 15. Схема эффектов, индуцируемых присоединением лиганда к рецептору (R), сопряженному с G-белком (развитие пеі>вичного ответа)

ванный таким образом G-белок, связанный с GTP, может отде­литься от рецептора, а его субъединица а взаимодействует в ре­зультате этого с мембранными белками — мишенями (аденилат- циклазой, ионными каналами, фосфолипазой С),

Обнаружено около 20 типов различных G-белков[2]. Они явля­ются гетеротримерами, которые состоят из субъединиц трех ти­пов: а, р, у. В норме две последние субъединицы функционируют как единый ру-комплекс. На а-субъединице локализован центр связывания гуаниловых нуклеотидов. В табл. 9 представлены характеристики некоторых G-белков.

Все G-белки прочно связаны с плазматическими мембрана­ми, за исключением трансдуцина, который in vitro легко отсое­диняется от мембраны.

При переходе сигнала в каскаде: рецептор -> G-белок —» эффекторный белок исходный внешний сигнал способен к мно­гократному усилению (амплификации). Это связано с тем, что одна молекула рецептора, находясь в активированном состоя­нии в результате присоединения лиганда, переводит в активи­рованную форму несколько молекул G-белка. При этом коэф­фициент усиления внешнего сигнала может составлять 10²— 10³, так как на каждую молекулу рецептора приходится не­сколько сотен или тысяч образующихся молекул G-белка. На следующей стадии каскада (G-белок —> эффекторный белок) каждая молекула активированного G-белка взаимодействует только с одной молекулой эффекторного белка, но в ответ на это в цитоплазме образуется (распадается) большое количество молекул вторичного мессенджера. В результате суммирования процессов амплификации внешнего сигнала в каскаде: рецеп­тор -> G-белок -» эффекторный белок коэффициент усиления может составлять 10⁵—10".

“Выключение” каскада передачи внешнего сигнала осуще­ствляется различными способами: путем диссоциации сигналь­ной молекулы из комплекса с рецептором; путем фосфорилиро­вания рецепторов с участием протеинкиназ; в результате гид-

Таблица 9

Свойства и функции некоторых G-белков

ролиза связанного с G-белками GTP до GDP, а также восстанов­ления исходного уровня внутриклеточного вторичного мессенд­жера в цитоплазме.

2.

Они представляют собой интегральные мембранные белки, полипептидные цепи которых несколько раз пронизывают ли­пидный бислой. Связывание агониста с рецептором приводит к открыванию канала и селективному изменению ионной прони­цаемости мембраны. К таким рецепторам — ионным каналам относят лигандуправляемые ионные каналы, являющиеся рецеп­торами нейротрансмиттеров (см. табл. 8).

Наиболее глубоко изучены никотиновые ацетилхолиновые рецепторы (холинорецепторы) в скелетных мышцах и электри­ческих органах ската и угря. Холинорецептор состоит из четы­рех гликозилированных субъединиц а (50 кДа), 3 (54 кДа), у(56кДа) и 8 (58 кДа) с молярным соотношением 2:1:1:1, имеет “грибовидную” форму и ориентирован перпендикулярно поверх­ности мембраны. Катионный канал холинорецептора открывает­ся при взаимодействии двух молекул агониста (ацетилхолин, кар- бамилхолин, суберилхолин) с участками связывания двух а-субъ- единиц рецептора. Малоселективные катионные каналы нико­тинового ацетилхолинового рецептора непроницаемы для ионов.

3. Рецепторы, обладающие ферментативной активностью

Представляют собой моно- или олигомерные белки, имеющие центр связывания первичного мессенджера, локализованный на внешней поверхности мембраны. На внутреннюю (цитоплазма­тическую) сторону мембраны обращен каталитический участок, активируемый в результате воздействия на молекулу рецептора внешнего сигнала. К рецепторам, обладающим ферментативной активностью, относят рецепторные протеинкиназы, способные аутофосфорилироваться и фосфорилировать белки-мишени по ти- розиновым остаткам, а также протеинтирозиифосфатазы, дефос- форилирующие фосфотирозиновые остатки белков-мишеней. Они участвуют в регулировании процессов деления клетки, их диф­ференцировании, развитии иммунного ответа. Рецепторные гуа­нил атцикл азы, катализирующие синтез cGMP из GTP, необходи­мы для регуляции водно-солевого обмена и тонуса сосудов.

Развитие вторичного (клеточного) ответа в результате функ­ционирования компонентов каскада передачи внешнего сигнала реализуется на разных уровнях: транскрипции, трансляции и на уровне изменения структурно-функционального состояния клю­чевых внутриклеточных белков. Последний механизм включает обратимую ковалентную модификацию белков (фосфорилирова- 70 ние, метилирование, ацилирование), изменение функциональных свойств белков непосредственно или опосредованно под действи­ем вторичных мессенджеров, модуляцию свойств олигомерных белков посредством ассоциации — диссоциации субъединиц, об­ратимые переходы белков из свободного состояния в связанное (изменение компартментализации)*, Более подробно некоторые из вышеназванных способов регулирования метаболических про­цессов описаны в разделе 2.3.

2.1.2.