Реакции клеток на сигналы среды существования

Химическая сигнализация и клеточные рецепторы

Метаболизм и другие физиологические функции клеток и целого организма могут осуществляться в условиях покоя, когда их интенсивность минимальна, и в условиях различных воздействий, когда функции необходимо изменить. Возникает вопрос: как и когда клетка и другие структуры организма «узнают», что они должны изменить свой метаболизм на воздействие, усилить или ослабить свою функциональную активность?

Существует несколько способов изменения метаболизма и функциональной активности. Один из них - это прямое воздействие на клетку изменившихся термодинамических факторов среды, в которой она существует. Действие тепла ускоряет обмен, а холода - замедляет. На состояние функциональной активности клеток оказывают прямое влияние такие физические или химические факторы, как ионизирующие излучения, давление, изменения pH среды.

Однако очевидно, что для выживания и выполнения своих основных функций в изменяющихся условиях среды клетки организма должны были приобрести способность воспринимать действие большого разнообразия сигналов, информирующих ее об этих изменениях, и адекватно реагировать на них. В эволюции живых организмов возникли другие, более быстрые и адекватные способы реагирования клеток на действие сигналов в виде гормонов, нейромедиаторов, цитокинов, факторов роста. Клетки получили для их распознавания специфические рецепторы, а молекулы гормонов, нейромедиаторов и других химических веществ приобрели для клеток сигнальное значение. Их стали называть также лигандами клеточных рецепторов. Клетки, располагающие специализированными рецепторами к этим веществам, назвали клетками-мишенями.

Сигналы могут поступать непосредственно из среды существования или от других клеток. Их восприятие осуществляется специализированными молекулярными рецепторами клеток, которые трансформируют заключенную в них информацию и передают ее на пострецепторные структуры клетки. Каждая клетка характеризуется своим набором структур, необходимых для организации адекватной реакции клетки на воспринятый сигнал. Клеточные рецепторы, локализующиеся в плазматической мембране или внутри клетки, по структурно-функциональным признакам могут быть отнесены к одному из следующих суперсемейств.

Семисегментные трансмембранные рецепторы (7-trans-membrane segment receptors — 7-TMSRs). Суперсемейство 7-ТМ8-рецепторов насчитывает более 250 разновидностей, имеющих общий план строения и локализацию, но различающихся специфичностью связывания с лигандами. Рецепторы этого суперсемейства являются белковыми макромолекулами, формирующими внеклеточную, трансмембранную и внутриклеточную части рецептора (рис. 2.13). Трансмембранная часть представлена семью спиральными сегментами белковой макромолекулы, пронизывающими липидный бислой мембраны. Эта часть рецепторной молекулы может выполнять как функции распознавания и связывания с сигнальной молекулой, так и функции передачи сигнала с внеклеточной части рецептора на внутриклеточную. Внеклеточная часть рецепторной макромолекулы представлена гидрофильными петлями, с которыми могут взаимодействовать сигнальные молекулы-лиганды данного рецептора. Внутриклеточная часть

Схематическое представление

Рис. 2.13. Схематическое представление (я) структуры 7-ТМ8-рецептора (7) в цитоплазматической мембране (2), G-белка (5) и начальных этапов внутриклеточной передачи сигнала (б - ё) после связывания агониста (4) с рецептором рецептора представлена гидрофильными петлями, погруженными в цитоплазму, и имеет центры связывания субъединиц G-белка. Поэтому семисегментные трансмембранные рецепторы называют также рецепторами, ассоциированными с G-белком (GPCRs).

Важнейшей функцией G-белка является дальнейшая передача внеклеточного сигнала на пострецепторные внутриклеточные структуры, с помощью которых формируется ответ клетки на воспринятый рецептором сигнал. 7-ТМ8-рецепторы широко распространены в организме человека, и их лигандами являются сигнальные молекулы белковой, гликопротеиновой, аминной природы. Это рецепторы нейромедиатора симпатической нервной системы норадреналина, нейромедиатора парасимпатической нервной системы ацетилхолина, гормонов адреналина, глюкагона, тиротропина, вазопрессина и др.

Из приведенных примеров видно, что 7-ТМ8-рецепторы имеют очень важное значение в регуляции функции многих клеток и процессов организма. С их непосредственным участием регулируется работа сердца, просвет сосудов, просвет бронхов, работа органов желудочно-кишечного тракта и многие другие функции организма.

Механизмы восприятия 7-ТМ8-рецептором специфического сигнала, его последующей внутриклеточной передачи и использования для регуляции функций клеток являются сходными для рецепторов всего суперсемейства.

Обычно сигнальная молекула является для клетки-мишени носителем информации о каком-то произошедшем событии. Например, появление в высокой концентрации в крови антидиуре-тического гормона свидетельствует о повышении осмотического давления крови; появление в высоких концентрациях АКТГ, адреналина - о действии стрессорных факторов; появление инсулина - о повышении концентрации глюкозы; глюкагона - о понижении концентрации глюкозы; натрийуретического пептида -о растяжении стенки предсердий возросшим возвратом крови из вен; тиреокальцитонина - о повышении в крови концентрации кальция; паратирина - о понижении уровня кальция и т.д. Организм должен отреагировать на произошедшие изменения так, чтобы приспособиться к ним, вернуть к нормальным значениям те или иные показатели гомеостаза.

Посредником между событием и клетками, которые на него должны отреагировать, является одна или несколько сигнальных молекул. Первым шагом в организации ответа клеток ор ганизма на появление во внеклеточной среде сигнальной молекулы является распознавание ее пространственной структуры, в которой закодирована информация о произошедшем событии.

Для распознавания структуры сигнальной молекулы клетки-мишени наделены специфическими рецепторами (в разбираемом случае 7-TMSRs). При встрече рецептора с сигнальной молекулой происходит нековалентное взаимодействие с ней его внеклеточной части и рецептор становится активированным (см. рис. 2.13). Это сопровождается таким изменением его пространственной структуры, которое позволяет рецептору вступить во взаимодействие с внутриклеточным GTP-за-висимым G-белком. G-белок является тримером, состоящим из а-, р-, у-субъединиц. а-Субъединица связана с GDP. После взаимодействия с активированным рецептором GDP сменяется на GTP, G-белок отсоединяется от рецептора и диссоциирует на Ga- и Gpy-субъединицы. Дальнейшие процессы осуществляются с использованием ряда внутриклеточных путей, которые ведут к повышению или снижению в клетке уровня одного из вторых (вторичных) посредников в передаче сигнала на внутриклеточные, исполнительные механизмы.

Вторыми посредниками в зависимости от типа клеток и активированных рецепторов могут быть цАМФ, цГМФ, ДАГ и ИФЗ, Са2+. Образование того или иного второго посредника определяется типом фермента, активируемого субъединицей Ga. Выделяют Оа5-стимулирующую и Оа-ингибирующую и другие типы а-субъединиц. Например, для повышения уровня цАМФ требуется активация Gas субъединицей фермента аденил атцикл азы, превращающей АТФ в цАМФ; для повышения уровня цГМФ - активация гуанилатциклазы; для повышения уровня ДАГ и ИФЗ - активация фосфолипазы.

Вторые посредники обычно передают сигнал на специфические ферменты цитоплазмы - протеинкиназы, которые могут непосредственно инициировать или модулировать ответные реакции клетки. Например, повышение уровня цАМФ после активации адреналином адренорецепторов гепатоцитов и адипоцитов ведет к повышению в них активности цАМФ-зависимых протеинкиназ, которые в свою очередь повышают активность эффекторных ферментов, ускоряющих гликогенолиз в гепатоцитах, липолиз в адипоцитах. Активность адени-латциклазы может быть понижена Са-субъединицей. Через G-белок и изменение уровня вторых посредников можно регулировать состояние ионных каналов и активность ионных насосов. С помощью этого механизма действие адреналина на адренорецепторы в сердце сопровождается учащением и усилением его сокращений (подробнее см. «Регуляция работы сердца»).

Протеинкиназы состоят из двух регуляторных (Р) и двух каталитических (К) субъединиц, которые формируют Р2К2 тетрамер. Когда цАМФ связывается с Р-субъединицами, К-субъ-единицы диссоциируют и становятся каталитически активными. Фосфорилирование внутриклеточных белков-мишеней (например, гликогенфосфорилазы в гепатоцитах, липазы - в адипоцитах) протеинкиназой повышает их ферментативную активность и ведет к снижению активации 7-ТМ8-рецептора плазматической мембраны. Эффекты повышенного уровня цАМФ сохраняются, пока она не будет гидролизована до АМФ фосфодиэстеразой. К- и Р-субъединицы протеинкиназы А (ПКА) затем вновь ассоциируют в каталитически неактивный тетрамер, и сигнализация завершается. Каталитические субъединицы ПКА могут перемещаться через ядерную мембрану в ядро клетки и вступать во взаимодействие с чувствительным участком ДНК, имеющим определенную последовательность нуклеотидов, вызывая экспрессию некоторых генов.

Рассмотренный каскад последовательных реакций, инициируемых сигнальной молекулой (активация рецептора, диссоциация G-белка, активация аденилатциклазы, повышение уровня цАМФ, активация ПКА и специфическая ответная реакция клетки), позволяет многократно усиливать действие даже нескольких сигнальных молекул. Один 7ТМ8-рецептор, стимулированный гормоном, может активировать около 100 G-белков, которые далее активируют множество молекул аденилатциклазы с последующим образованием еще большего множества молекул цАМФ. Это объясняет, почему для запуска физиологической ответной реакции организма надо очень небольшое повышение уровня гормонов, цитокинов, факторов роста и т.д. Например, адреналин в концентрации 1О-10 М может привести к образованию 10~6 М цАМФ, что соответствует усилению его действия только на этом этапе передачи сигнала в клетке-мишени в 104раз.

Пути внутриклеточной передачи сигнала химической природы могут быть общими при действии на клетку-мишень различных сигнальных молекул. При этом клетка может отвечать на их действие усилением реакции. Например, повышение уровня цАМФ может наблюдаться в адипоцитах под действием адреналина, глюкагона, АКТГ, кортизола, гормона роста и на одновременное действие этих гормонов адипоцит ответит более сильной реакцией липолиза, чем на действие одного из этих гормонов. Специфичность ответной реакции клетки на действие сигнальных молекул определяется специализацией ее функции и типом имеющихся в ней эффекторных ферментов. Уже упоминалось, что при использовании одного и того же цАМФ зависимого пути внутриклеточной передачи сигнала гепатоцит на действие глюкагона ответит усилением гликогенолиза, а адипоцит - усилением липолиза.

Механизмы действия сигнальных молекул, которые реализуются через гуанилатциклазный путь внутриклеточной передачи сигнала и повышают уровень цГМФ, будут рассмотрены в разделах, посвященных физиологии сердца и сосудов; действие сигнальных молекул через повышение уровня Са2+ как второго посредника - в разделе, посвященном физиологии гладких мышц, а действие сигнальных молекул, использующих фосфолипазный и диацилглицерольный пути внутриклеточной передачи сигнала - в разделах, посвященных физиологии эндокринной системы и гладких мышц.

Другие особенности регуляции функций клеток сигнальными молекулами будут рассмотрены в разделах, описывающих физиологию крови, эндокринной системы.

Односегментные трансмембранные рецепторы (1 -TMSRs). Отличаются от семисегментных рецепторов не только структурой, но и функциями. l-TMS-рецепторы являются белковыми макромолекулами, состоящими из трех частей: одного трансмембранного сегмента, внеклеточного и внутриклеточного глобулярных доменов. Если функция узнавания и связывания сигнальной молекулы-лиганда внеклеточным доменом l-TMS-рецептора сходна с таковой для внеклеточных петель 7-ТМ8-рецепторов, то в отличие от последних внутриклеточный домен l-TMS-рецепторов не ассоциирован с G-белком и сам проявляет каталитическую активность в ответ на образование лиганд-рецепторного комплекса.

Будучи активированными специфической сигнальной молекулой, эти рецепторы индуцируют фосфорилирование или дефосфорилирование эффекторных белков-мишеней на специфичных тирозиновых, сериновых или треониновых остатках, изменяя тем самым структуру белка мишени и (или) его функцию и инициируя каскад последующих событий.

Например, рецепторные тирозинкиназы используют для передачи сигнала так называемые Ras белки, которые являются представителями семейства низкомолекулярных белков. Они подобно G-белкам связываются с гуаниловыми нуклеотидами и обладают ГТФ-азной активностью. Затем Ras белки регулируют каскад серинтреониновых киназ, которые контролируют клеточную пролиферацию и дифференцировку. Мутация Ras генов, контролирующих синтез этих белков, является одной из причин опухолевого перерождения клеток, выявляемого для 30% всех раковых опухолей.

Таким образом, l-TMS-рецепторы выполняют одновременно с собственно рецепторной еще и каталитическую функцию и их называют каталитическими рецепторами.

В зависимости от типа каталитической активности внутреннего домена рецептора выделяют несколько классов внутри суперсемейства l-TMS-рецепторов: рецепторные тирозинкиназы; рецепторы, ассоциированные с тирозинкиназами; рецепторные тирозинфосфатазы; рецепторные серинтреонинкиназы; рецепторные гуанилатциклазы.

Сигнальными молекулами, оказывающими свои регуляторные воздействия на клетку через стимуляцию 1-TMS-pe-цепторов, являются фактор роста нервов, эпидермальный, тромбоцитарный и другие факторы роста, инсулин, цитокины и др. Знание механизмов реагирования клеток на стимуляцию l-TMS-рецепторов сигнальными молекулами-лигандами позволяет лучше понять механизмы регуляции клеточного цикла, дифференцировки клеток, физиологической гибели (апоптоза), развития процессов воспаления, дегенерации и регенерации клеток.

Предметом особого внимания исследователей является протеинкиназа С, которая участвует в передаче в клетки широкого набора внешних сигналов и в том числе сигналов, регулирующих клеточный рост. Большое число работ посвящено изучению роли этой протеинкиназы в регуляции пролиферации клеток, развитии раковых заболеваний и поиску селективных ингибиторов и стимуляторов ее активности, с помощью которых можно оказывать влияние на рост и развитие опухолей.

Каналообразующие рецепторы, или лигандзависимые ионные каналы. Структура и функции этих рецепторов описаны в разделе, описывающем ионные каналы, и будут более подробно рассмотрены на примере их участия в процессах синаптической передачи.

Внутриклеточные (цитозольные и ядерные) рецепторы. Представляют собой разновидность рецепторов, лигандами которых являются сигнальные молекулы гидрофобной природы. Это стероидные, тиреоидные гормоны, витамин D, ретиноевая кислота. Все они легко проникают из межклеточной среды в клетку через плазматическую мембрану.

Цитозольные рецепторы стероидных гормонов могут быть представлены белками цитоплазмы клетки, которые в отсутствие лиганда связаны с другими белковыми молекулами -белками теплового шока. В цитозоле стероидные гормоны вступают в обратимое взаимодействие с рецепторами, вытесняя при этом из связи с ними молекулу белков теплового шока. В результате такого взаимодействия рецептор активируется, изменяет свою конформацию, а образовавшийся гормон-ре-цепторный комплекс легко проникает через ядерную мембрану внутрь ядра клетки. В ядре гормон вступает во взаимодействие с гормончувствительным элементом ДНК и регулирует при этом экспрессию определенных генов.

Рецепторами тиреоидных гормонов являются негистоновые белки, располагающиеся непосредственно в ядре клеток. Из клеток тканей человека выделены и охарактеризованы четыре изоформы рецепторов йодсодержащих тиреоидных гормонов. Тиреоидные гормоны, связываясь с чувствительным к ним участком ДНК, регулируют транскрипционную активность генов.

Через активацию цитозольных или ядерных рецепторов клеток эмбриональных тканей гормонами осуществляется экспрессия или супрессия генов, контролирующих синтез ферментов, рецепторов, белков-переносчиков; генов, регулирующих клеточный цикл: деление, созревание, дифференцировку клеток. Через эти рецепторы осуществляется контроль развития и формирования функций клеток нервной системы, их метаболизм и другие процессы. Так, например, при недостаточном уровне в организме плода тиреоидных гормонов может развиться несоответствие скорости образования нейронов мозга и миелинизации их отростков, следствием чего может быть задержка развития сенсорных, двигательных, познавательных и других функций мозга.

Примером влияния на процессы внутриклеточной передачи сигналов, контролирующих клеточный цикл, является влияние на тирозинкиназную активность препарата иматиниба. Этот препарат, ингибируя фермент Bcr-Abl-тирозинкиназу, избирательно подавляет пролиферацию и вызывает апоптоз молодых лейкозных клеток при хроническом миелолейкозе и остром лимфобластном лейкозе. Кроме того, иматиниб является сильнодействующим ингибитором рецепторов тирозинкиназы для фактора роста тромбоцитов (PDGF) и фактора стволовых клеток (SCF).

Приведенное схематическое описание влияния сигнальных молекул на функции клеток-мишеней через стимуляцию специфических рецепторов не может дать полного представления об их структуре, механизмах и функциях. Например, при описании свойств основных семейств клеточных рецепторов не приводятся сведения о так называемых растворимых рецепторах и некоторых других их типах. Последующее рассмотрение рецепторных механизмов в других разделах также не будет полным из-за обширности современных знаний о путях и механизмах химической сигнализации и бурного развития этой области знаний.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >