Общие принципы передачи сигнала в клетку
Сигнальные молекулы (гормоны, медиаторы) передают информацию в клетку через рецепторы. Тип рецептора и механизм передачи сигнала определяется физико-химическими свойствами лиганда. Гидрофильные гормоны (адреналин, глюкагон, инсулин, ангиотензин II, АДГ) не проникают через плазматическую мембрану и работают через мембранные рецепторы. Гидрофобные гормоны (кортизол и другие стероиды) свободно проходят через мембрану и связываются с внутриклеточными рецепторами.
Выделяют три основных типа мембранных сигнальных систем: аденилатциклазную, инозитолфосфатную (обе — некаталитические, сопряжены с G-белками) и каталитические рецепторы (рецептор инсулина, рецептор предсердного натрийуретического фактора).
Аденилатциклазная система
Система состоит из трёх компонентов: рецептор (Rs — стимулирующий или Ri — ингибирующий), G-белок (αβγ-субъединицы) и фермент аденилатциклаза. В неактивном состоянии α-субъединица связана с ГДФ.
Этапы активации:
- Гормон связывается с Rs-рецептором, изменяя его конформацию.
- Рецептор контактирует с α-субъединицей; ГДФ замещается на ГТФ.
- Комплекс α-ГТФ диссоциирует от βγ и латерально диффундирует к аденилатциклазе.
- Аденилатциклаза активируется и катализирует превращение АТФ в цАМФ.
- цАМФ связывается с регуляторными субъединицами протеинкиназы А (ПКА), освобождая каталитические субъединицы.
- Активная ПКА фосфорилирует белки-мишени по остаткам серина и треонина с использованием АТФ.
Инактивация происходит за счёт собственной ГТФазной активности α-субъединицы: ГТФ гидролизуется до ГДФ, α-субъединица возвращается к βγ, аденилатциклаза выключается.
При связывании гормона с Ri-рецептором активируется αi-ГТФ, которая ингибирует аденилатциклазу: концентрация цАМФ падает, ПКА реассоциируется, фосфорилирование белков снижается.
Через аденилатциклазную систему действуют адреналин (через β-рецепторы) и глюкагон.
Инозитолфосфатная система
Структура аналогична аденилатциклазной, но вместо Gs-белка работает Gq-белок, а вместо аденилатциклазы — фосфолипаза С (ФЛС).
После связывания гормона с рецептором α-субъединица обменивает ГДФ на ГТФ и активирует ФЛС. Фермент гидролизует мембранный фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат (ФИФ₂) на два вторичных мессенджера:
- Диацилглицерол (ДАГ) — остаётся в мембране;
- Инозитол-1,4,5-трисфосфат (ИФ₃) — переходит в цитозоль.
ИФ₃ открывает кальциевые каналы эндоплазматического ретикулума, и ионы Ca²⁺ выходят в цитозоль по градиенту концентрации.
Эффекты ионов кальция
- Ca²⁺ связывается с белком кальмодулином (4 центра связывания), образуя комплекс Ca₄-кальмодулин, который активирует Ca-кальмодулин-зависимые протеинкиназы, фосфорилирующие белки по серину и треонину.
- Ca²⁺ совместно с ДАГ и фосфатидилсерином мембраны активирует протеинкиназу С (ПКС), которая также фосфорилирует белки по остаткам серина и треонина.
Через инозитолфосфатную систему действуют ангиотензин II, АДГ (на гладкую мускулатуру сосудов) и адреналин в печени.
Каталитические рецепторы
Эти рецепторы сами обладают ферментативной активностью.
Рецептор инсулина
Состоит из двух α- и двух β-субъединиц. β-субъединицы имеют тирозинкиназную активность. При связывании инсулина с α-субъединицами β-субъединицы аутофосфорилируются по остаткам тирозина и фосфорилируют IRS-белки (субстраты рецептора инсулина). Эффекты:
- увеличение транспорта глюкозы за счёт встраивания ГЛЮТ-4 в мембрану инсулинозависимых тканей;
- активация фосфопротеинфосфатазы, дефосфорилирующей ключевые ферменты;
- активация фосфодиэстеразы, расщепляющей цАМФ до АМФ (антагонизм с аденилатциклазной системой);
- изменение экспрессии специфических генов.
Гуанилатциклазная система
Рецептор предсердного натрийуретического фактора сам является гуанилатциклазой. После связывания лиганда фермент превращает ГТФ в цГМФ, который активирует протеинкиназу G (ПКГ) — функциональный аналог ПКА. ПКГ фосфорилирует белки-мишени.
Внутриклеточные рецепторы
Характерны для гидрофобных гормонов (стероидных, тиреоидных), например, кортизола. Этапы:
- Гормон диффундирует через плазматическую мембрану.
- Связывается с цитоплазматическим рецепторным белком.
- Гормон-рецепторный комплекс проникает в ядро.
- Связывается с регуляторными участками ДНК — энхансерами (активация транскрипции) или сайленсерами (подавление транскрипции).
- Изменяется скорость синтеза специфических белков и, соответственно, метаболизм клетки.
Этот путь обеспечивает медленный, но длительный эффект.
Сравнение сигнальных систем
- Некаталитические системы (аденилатциклазная, инозитолфосфатная) — сопряжены с G-белками, используют вторичные мессенджеры (цАМФ, ИФ₃, ДАГ, Ca²⁺).
- Каталитические рецепторы — сами являются ферментами (тирозинкиназа, гуанилатциклаза).
- Внутриклеточные рецепторы — действуют на уровне транскрипции генов.
- Выбор пути определяется растворимостью гормона: гидрофильные — мембранные рецепторы; гидрофобные — внутриклеточные.
Ключевые моменты
- Аденилатциклазная система: рецептор → Gs/i-белок → аденилатциклаза → цАМФ → ПКА → фосфорилирование белков.
- α-субъединица G-белка обладает собственной ГТФазной активностью, что обеспечивает выключение сигнала.
- Инозитолфосфатная система генерирует два мессенджера — ИФ₃ (мобилизует Ca²⁺ из ЭПР) и ДАГ (активирует ПКС вместе с Ca²⁺).
- Ca²⁺ действует через кальмодулин и Ca-кальмодулин-зависимые протеинкиназы, а также активирует ПКС.
- Рецептор инсулина — тирозинкиназа; фосфорилирует IRS-белки, увеличивает транспорт глюкозы через ГЛЮТ-4 и активирует фосфодиэстеразу цАМФ.
- Рецептор предсердного натрийуретического фактора — гуанилатциклаза, образующая цГМФ и активирующая ПКГ.
- Гидрофобные гормоны (кортизол) действуют через внутриклеточные рецепторы, регулируя транскрипцию генов через энхансеры и сайленсеры.
- Адреналин и глюкагон работают через аденилатциклазную систему; ангиотензин II и АДГ — через инозитолфосфатную.