Механизм взаимодействия веществ-регуляторов с клетками организма

Рецепторы веществ-регуляторов

Белки-рецепторы — это белки клетки, специализированные на приеме химических сигналов, способные присоединять к себе определенные вещества, называемые лигандами данных рецепторов. Способность белков-рецепторов присоединять к себе молекулы этих веществ связана с наличием в молекуле белка-рецептора участка, который обладает пространственным соответствием определенному участку молекулы лиганда. Этот участок молекулы белка-рецептора является антенной, принимающей сигналы. Для описания взаимодействия лиганда и рецептора может быть использована модель, применяемая для описания взаимодействия фермента и субстрата, т. е. взаимодействия по принципу ключ — замок, где ключ — это лиганд, а замок — рецептор.

Вещества-регуляторы являются лигандами белков-рецепторов клеток-мишеней. Присоединение вещества-регулятора к белку-рецептору инициирует каскад активации посредников — вторичных мессенджеров, специфичных комплексу лиганд-рецептор. Действие системы посредников обеспечивает усиление сигнала и выполнение команды регуляторной системы, переданной этим сигналом, т. е. приводит к изменению уровня функциональной активности клетки, к реализации одного из вариантов конечных результатов взаимодействия с клеткой вещества-регулятора.

Набор и количество рецепторов клетки детерминированы ее специализацией в соответствии с дифференциацией ткани и органа, где функционирует эта клетка. Дифференцированные клетки различных тканей организма отличаются набором («пулом») белков-рецепторов. От набора рецепторов клеток зависят уровень их функциональной активности и продолжительность жизни. Поэтому биосинтез многих рецепторов происходит конститутивно, т. е. с определенной скоростью в течение жизни клетки.

Вместе с тем количество и набор рецепторов клетки может изменяться при взаимодействии клетки с определенными веществами-регуляторами, изменяющими интенсивность транскрипции генов, белковыми продуктами которых являются рецепторы клетки. Интенсивность биосинтеза рецепторов в клетках организма может уменьшаться при старении его клеток и организма в целом. Так, например, при старении уменьшается количество рецепторов к стероидным половым гормонам в гипоталамусе. При сахарном диабете II типа в клетках организма фактически не синтезируются рецепторы к инсулину, что препятствует попаданию глюкозы в клетки. Известны также наследственные заболевания, обусловленные отсутствием в геноме, как правило, двух аллельных генов, кодирующих информацию об определенных рецепторах веществ-регуляторов. Так, например, обнаружено, что у людей развивается ожирение, если они гомозиготны по отсутствию гена, кодирующего рецептор лептина, тканевого гормона жировой ткани, являющегося пептидом.

Рецепторы многих веществ-регуляторов могут взаимодействовать не только с веществом-регулятором или основным лигандом, но и с другими веществами, сходными по строению с молекулами основного лиганда этого рецептора и конкурирующими с ним за антенный участок рецептора. Одни из этих конкурентов, соединяясь с рецептором, способны к инициации каскада системы посредников, специфичного для основного лиганда, т. е. они являются синергистами веществ-регуляторов. Известны вещества-конкуренты, блокирующие рецептор, или агонисты основного лиганда, препятствующие инициации каскада посредников, специфичного данному рецептору.

Многие рецепторы веществ-регуляторов содержат участки связывания модуляторов действия основного лиганда, которые могут как усиливать его действие, так и подавлять или изменять на противоположное. Так, например, соединение медиатора у-аминомасляной кислоты (ГАМК) с одним из видов его рецепторов ГАМКА-рецептором приводит к открытию каналов для СГ и торможению возбуждения нейронов. Вместе с тем в молекуле ГАМКд-рецептора есть участок связывания эндозепинов — регуляторных пептидов, цитокинов клеток мозга. Их присоединение подавляет открытие каналов для СГ, т. е. они блокируют эффект ГАМК. Обнаружено, что к участку связывания эндозепинов может присоединяться лекарственное средство, сходное с ними по строению, бензодиазепин. В этом случае промежуток времени, в который СГ каналы открыты, увеличивается, то есть тормозной эффект ГАМК усиливается.

Как правило, белки-рецепторы состоят из нескольких субъединиц. При этом обнаружено, что вследствие альтернативного сплайсинга м-РНК в ходе трансляции генов белков-рецепторов первичная структура некоторых субъединиц одинаковых рецепторов может отличиться и поэтому они обладают неодинаковым сродством к своим лигандам. Можно предполагать, что альтернативный сплайсинг является регулируемым процессом, обеспечивающим управление сродством белков- рецепторов к их лигандам.

Известно, что некоторые мембранные белки-рецепторы имеют так называемые «растворимые» формы. В этом случае после биосинтеза рецептора и встраивания его в мембрану его антенная часть (или весь белок-рецептор) отделяется от мембраны и находится вблизи клетки в межклеточной жидкости или поступает в кровь. При этом сохраняется способность рецептора связывать определенное вещество-регулятор. Это приводит к уменьшению интенсивности воздействий на клетку- мишень этих лигандов или к полному подавлению сигнальных воздействий этих лигандов. Возможно, что переход рецептора от связанной к растворимой форме регулируется, что также является способом регуляции взаимодействий клеток-мишеней с веществами-регуляторами.

В настоящее время выяснены вещества-регуляторы, являющиеся основными лигандами многих рецепторов клетки, и последствия их соединения со специфичным им рецептором. Вместе с тем интенсивное изучение строения молекул рецепторов позволило обнаружить у многих из них новые участки связывания веществ, влияющие на функциональную активность комплекса рецептор — основной лиганд. Изучение строения рецепторов, их лигандов и модуляторов имеет большое практическое значение для разработки маркеров, способствующих визуализации клеток и лекарственных препаратов, обладающих направленным, мишенным (таргетным) действием, т. е. способных взаимодействовать в организме только с клетками определенных органов и тканей. Их применение позволит маркировать органы различных тканей и осуществлять направленную целевую доставку к ним лекарственных препаратов. Это, в свою очередь, даст возможность, используя современные методы визуализации, с большей точностью выявлять локализацию патологических изменений в различных внутренних органах, обнаруживать в них новообразования и более эффективно осуществлять коррекцию этих патологических изменений.

Белки-рецепторы расположены в разных участках клетки: на мембране клетки и ее органоидов, в цитоплазме, в ядре. В зависимости от своих физико-химических свойств вещества-регуляторы взаимодействуют с белками-рецепторами определенной локализации.

По физико-химическим свойствам вещества-регуляторы разных групп разделяют на липофильные, то есть имеющие «сродство» с липидами, и гидрофильные, т. е. растворимые в воде соединения. Рецепторы всех гидрофильных веществ: белков, полипептидов, биогенных аминов, а также большинства эйкозаноидов, располагаются в мембране клетки. Рецепторы липофильных веществ-регуляторов или располагаются в цитозоле, как рецепторы большинства стероидных гормонов, или связаны с ядром клетки, как рецепторы тироксина и циклопентеновых простагландинов.

Липофильные вещества-регуляторы — это стероидные гормоны коры надпочечников, половые гормоны, тканевый гормон почек каль- цитриол (1,25 витамин Д), гормоновитамины А и К, а также иодсодер- жащие гормоны щитовидной железы. Если они действуют телекринно, то для доставки их к клеткам-мишеням они связываются со специфичным им белком-переносчиком и транспортируются кровотоком. В клетки-мишени они проникают после отсоединения от белка-переносчика. Их белки-рецепторы расположены в цитозоле или ядре клеток.

Рецепторы липофильных веществ-регуляторов принадлежат к группе так называемых редких белков и содержатся в клетке в малых количествах. В клетках-мишенях рецепторы липофильных гормонов присутствуют в количествах 103—104 молекул, но обладают большим сродством к своим лигандам. В молекуле цитозольных рецепторов выделяют несколько доменов, то есть участков молекулы, выполняющих определенную функцию. Это домен, связывающийся с лигандом, а также регуляторный домен, взаимодействующий с компонентами ядра клетки. Кроме того, в рецепторе имеется домен, связывающийся с ДНК, и сайтспецифичный домен.

При отсутствии лиганда рецепторы липофильных веществ-регуляторов связаны с ингибиторами, например белками теплового шока. Один из них — это белок «теплового шока» Hsp90. Белки теплового шока обычно выполняют функцию шаперонидов — белков, которые или препятствуют фолдингу («сворачиванию») белка, или способствуют ему, в результате чего формируется такая конформация белка, которая необходима для выполнения белком его функции. Рецепторы липофильных веществ-регуляторов, связывая специфичные им лиганды, например стероидные гормоны, освобождаются от шаперона-ингиби- тора и димеризуются, т. е. образуется комплекс двух рецепторов и их лиганда, соединенного с одним из них.

Этот комплекс поступает в ядро клетки, где связывается с регуляторным участком определенного гена коротким палиндромным участком из двух нитей ДНК (палиндром — от греч. palindromed — бегу назад, перевертень, «перевертыш»; в палиндромных участках ДНК, при сохранении комплиментарности нуклеотидов их последовательность в противоположных направлениях (в направлении 3'—5') разных нитей — одинакова). Этот участок называется гормон-респонсив- ным элементом (ГРЭ (HRE)). Например, палиндромными являются две цепи участка ДНК, образованные парами таких комплиментарных нуклеотидов, как Тг—А2, Aj—Т2, ТгА2, Ах—Т2, ТгЦ2, Н^—Г2, Tj— А2, Ах—Т2, Тг—А2, А:—Т2 (в одном направлении последовательность нуклеотидов в одной цепи Тг—Ах—ТхАг—Г:—Н^—Т2—АхТгАь а в другой цепи — А2—Т2—А2—Т2—Ц2—Г2—А2—Т2—А2—Т2).

ГРЭ является усилителем («энхансером») транскрипции данного гена, и последовательность нуклеотидов в нем специфична присоединяющемуся к нему домену связывания рецептора вещества-регулятора. Присоединение комплекса гормон-рецептор к ГРЭ обычно изменяет интенсивность транскрипции и соседних генов, чаще она усиливается, но иногда транскрипционная активность соседних генов ингибируется. Таким образом, соединение липофильного вещества-регулятора со специфичным ему рецептором вызывает увеличение, в редких случаях уменьшение в клетке количества определенных белков, в частности белков-ферментов. Эффект действия выявляется через десятки минут или через часы после проникновения липофильного вещества- регулятора в клетку, это медленные эффекты веществ-регуляторов.

Гидрофильные вещества-регуляторы — это белки, полипептиды, биогенные амины, а также вещества другой химической природы. Например, аминокислоты, азотистые основания нуклеотидов, нуклеотиды, ацетилхолин. Такую природу имеют многие нейромедиаторы.

Эти вещества-регуляторы, а также многие эйкозаноиды связываются с рецепторами на поверхности клетки. Рецепторы одной из групп эйкозаноидов находятся на мембране ядра. Соединение веществ-регуляторов со специфичным им рецептором приводит к запуску каскада взаимодействий между элементами различных систем посредников веществ-регуляторов (к запуску сигнальных систем). Последняя ступень этих каскадов или приводит к активации неактивной формы молекулы белка (фермента или каналоформера), или инициирует транскрипцию определенного гена, а следовательно, биосинтез белка — продукта этого гена.

Мембранные рецепторы — это интегральные белки, т. е. белки, пересекающие билипидный слой биологической мембраны. Часть рецептора, расположенная на внешней поверхности мембраны —

антенная часть, способна к связыванию, как правило, одного основного лиганда и иногда модулятора (ов) его действия. Расположенная в мембране часть рецептора «заякоривает» его и препятствует отсоединению антенной части рецептора.

Строение лиганда обеспечивает ему возможность соединения с антенной частью рецептора и удержания в течение некоторого времени за счет пространственного соответствия форм определенных участков молекул лиганда и рецептора. Это соответствие облегчает расположение лиганда на рецепторе за счет адсорбции, электростатических взаимодействий, водородных связей и обеспечивает возможность запуска системы посредников, специфичной комплексу вещество-регулятор — белок-рецептор.

Вместе с тем в настоящее время известно, что некоторые рецепторы веществ-регуляторов могут образовывать так называемые растворимые формы рецептора. В этом случае антенная, внешняя по отношению к содержимому клетки часть рецептора отсоединяется, но нередко не утрачивает способности связывать лиганды. В случае соединения лигандов с растворимой формой рецептора их концентрация уменьшается, а запуска каскада системы посредников не происходит.

Кроме того, установлено, что в некоторых случаях возможен запуск рецептором каскада специфичных ему посредников в отсутствие лиганда, соединенного с рецептором. В настоящее время активно изучаются причины и биологическое значение образования растворимых форм рецепторов и спонтанного срабатывания каскадов вторичных мессенджеров. Эффекты соединения веществ-регуляторов с мембранными рецепторами проявляются через несколько секунд или минут, это «быстрые» эффекты веществ-регуляторов.

В зависимости от особенностей строения и взаимосвязей с другими веществами различают 3 типа мембранных рецепторов. Первый тип рецепторов — это рецепторы, взаимодействующие, главным образом, с цитокинами, в том числе с ростовыми факторами, а также с инсулином (п/ж ж). Полипептидная цепь этих рецепторов пересекает мембрану, как правило, один раз, и ее антенный участок располагается на внешней поверхности мембраны. Многие из рецепторов первого типа являются тирозиновыми протеинкиназами, то есть ферментами, которые фосфорилируют молекулы тирозина в других белках. Активный центр киназной активности, взаимодействующий с остатком Тир, в молекулах других белков или в молекуле самого рецептора расположен на внутренней стороне мембраны. У некоторых из этих рецепторов также есть аллостерический (регуляторный) центр. Соединение с ним определенных веществ может изменять тирозинкиназную активность рецептора и тем самым влиять на возможность запуска системы посредников.

Обычно результат соединения веществ-регуляторов с рецепторами 1-го типа — это изменение интенсивности транскрипции какого-либо гена или их группы. Следствием этого является увеличение в клетке количества молекул каких-либо функционально значимых, чаще регуляторных белков, например, ферментов, катализирующих какой-либо биохимический каскад, или белков, регулирующих клеточный цикл, или веществ-регуляторов и их вторичных мессенджеров белковой природы. Конечный результат соединения веществ-регуляторов с рецепторами 1 типа проявляется через несколько минут после образования комплекса лиганд-рецептор.

Второй тип мембранных рецепторов — это лиганд-активируемые ионные каналы, образуемые олигомерными белками. Лиганды этих каналов — нейромедиаторы. Результатом соединения с этими рецепторами их лигандов является изменение состояния канала, как правило, он открывается. Например, нейромедиатор ацетилхолин является лигандом никотиновых рецепторов как структурных элементов каналов Na+ и К+, а у-аминомасляная кислота — лиганд ГАМКА-рецепторов, элементов каналов, пропускающих ионы С1~. Эффект действия веществ- регуляторов, соединяющихся со 2-м типом рецепторов, наблюдается через несколько секунд после их присоединения к рецептору.

Третий тип мембранных рецепторов — это рецепторы, сопряженные с ГТФ-связывающими белками (GPCR G protein coupled receptor). В геноме человека около 650 генов содержат информацию о GPCR, по другим данным считается, что гены этих белков составляют до 1 % генома и кодируют информацию о 2000 GPCR.

Рецептор 3-го типа — это трансмембранный белок, пересекающий мембрану клетки 7 раз. Соединение его антенной части с веществом- регулятором приводит к изменению конформации рецептора, что обеспечивает возможность связывания с ним также G-белка. В этих белках различают три субъединицы: ос, (3 и у. При неактивном состоянии G-белка ос субъединица связана ГДФ.

Соединение лиганда с рецептором приводит к тому, что G-белок диссоциирует на два комплекса. Первый — это комплекс (3 и у субъединиц, а второй — комплекс а субъединицы и ГДФ, в котором происходит фосфорилирование ГДФ, сопряженное с гидролизом АТФ.

Комплекс ГТФ — ос субъединица активирует или ингибирует различные белки, в том числе белки ионных каналов, а также ферменты, прежде всего вторичные мессенджеры, включенные в систему посредников веществ-регуляторов, взаимодействующих с GPCR.

Инактивация комплекса ГТФ — а субъединица происходит за счет медленного самопроизвольного гидролиза ГТФ до ГДФ. Комплекс ГДФ — а субъединица вновь соединяется с (3, у-комплексом, то есть G-белок возвращается в исходное неактивное состояние.

Рецепторы одного гормона в разных клетках могут взаимодействовать с различными G-белками, что приводит к возможности неодинаковых ответов клетки при ее взаимодействии с одним и тем же веществом- регулятором. Более того, при определенных условиях рецептор может активировать G-белки без взаимодействия с гормоном, т. е. рецепторы обладают конститутивной активностью. Кроме того, как упоминалось, для многих рецепторов известны вещества-эффекторы, действующие аналогично аллостерическим регуляторам активности ферментов. То есть это вещества, усиливающие или ослабляющие результат действия на G-белок рецептора, активированного гормоном. Поэтому соединение вещества-регулятора и рецептора — это не только (и не просто) «триггер», то есть «пусковой» сигнал, инициирующий специфичную ему реакцию.

Некоторые авторы предполагают, что один и тот же GPCR, в зависимости от сочетания вещества-регулятора, его модуляторов и G-белков, а также в зависимости от влияния «окружения» на комплекс рецептор- лиганд G-белков, может дать до 72 вариантов последующих событий и их результатов. Считается, что с этим свойством данного комплекса может быть связано то, что эффект действия многих веществ-регуляторов зависит от их концентрации и что влияние одного и того же вещества на функциональную активность клетки может быть противоположным.

С рецепторами 3-го типа (GPCR) связываются многие гидрофильные гормоны ЖВС, тканевые гормоны, некоторые медиаторы и эйко- заноиды. Конечным результатом взаимодействия веществ-регуляторов с GPCR часто является изменение каталитической эффективности фермента(ов), иногда это изменение состояния каналоформеров или изменение интенсивности транскрипции какого-либо гена и биосинтез его белкового продукта. Эффекты соединения вещества-регулятора с рецептором 3-го типа проявляются через несколько секунд или минут после их соединения.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >