Морфологическое описание СС 1 страница

Часть 2. СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ

Три с половиной миллиарда лет назад первые предшественники прокариот возникли в уже тогда древнем океане. Еще до того в первичном бульоне появились примитивные самовоспроизводящиеся молекулы. Вероятно, наиболее ранним репликатором была РНК, а не ДНК, поскольку некоторые формы РНК (рибозимы) обладают ферментативной активностью, а репликация в этом случае протекает быстрее. Хотя репликация ДНК более эффективна, она всегда зависима от белковых ферментов, что трудно себе представить в примитивном океане. Следовательно, более сложный процесс репликации ДНК должен был развиться позднее. Однако, эффективная репликация РНК или ДНК, a fortiori (в особенности) – последней, зависит от множественности молекул. Из этого следует, что эти молекулы должны находиться в достаточной близости друг от друга. Возможно, что все началось с их адсорбции на какой-либо обычной поверхности, например на глинах. Однако наиболее эффективным средством удержания взаимодействующих молекул вместе было помещение их в тонкий мешочек или пузырек.

Простейшие современные прокариоты – это микоплазма. Самое малое из них имеет диаметр 0,3 мкм и содержит не более 750 различных типов белков, но даже эти крошечные клетки куда более продвинуты, чем протоклетки, существовавшие три с половиной миллиарда лет назад, поскольку они, как и современные клетки, используют ДНК, а не РНК, как наследственный материал. Так или иначе, рассматриваем ли мы простейшие из живых клеток или их гипотетических предшественников, одно их выделяет – они существуют как отдельности в окружающей среде. Их внешние мембраны отграничивают внутреннюю среду от внешней. Биологи с философскими наклонностями прослеживают происхождение индивидуального организма до этого изначального периода.

Все организмы живут в окружающей среде. Все организмы тем или иным образом реагируют на окружающую среду. Это то, что отличает их от неодушевленных предметов. Ясно, что поверхностная мембрана, отграничивающая организм от окружающей среды, должна играть критически важную роль. Именно здесь развиваются специализации, которые способны детектировать благоприятные и неблагоприятные изменения. Иными словами, именно здесь возникает простейшая сенсорная система. Будучи информирован об изменениях в окружающей среде, организм может реагировать на них благоприятным для себя образом. Благоприятным для чего? В конечном счете, преимущества могут быть прослежены до уровня физической химии реплицирующихся молекул. Те из них, которые реплицируются более эффективно, поглощают больше доступных ресурсов и выживают.

Итак, начнем с начала: рассмотрим элементы, из которых построена сенсорная система.

1.1.1. Аллостерические эффекторы

Ферментативные белки имеют сложную трехмерную структуру. Ковалентно связанная первичная структура, состоящая из одной или более аминокислотной цепочки, свернута в сложную конформацию, т. н. третичную структуру. Эта структура стабилизирована многочисленными «слабыми» взаимодействиями: водородными связями, вандерваальсовыми и гидрофобными силами и т. д. Стоит подчеркнуть, что каждая из этих сил по отдельности слаба. Тогда как энергия единичной ковалентной связи составляет около 100 ккал/моль (двойные и тройные связи, обладают, соответственно, большими энергиями), водородная связь характеризуется энергиями всего в 1–5 ккал/моль, а гидрофобные и очень короткодистантные вандерваальсовы силы – всего около 1 ккал/моль. Хотя, по сравнению с ковалентными связями, все они очень слабы, однако часто они чрезвычайно многочисленны. Большое число таких слабых взаимодействий и поддерживает сложную конформацию белковой молекулы.

В то же время это означает, что такая пространственная структура ферментативного белка чрезвычайно хрупка и легко ранима. Это также означает, что такая структура может легко перестраиваться из одной конформации в другую. Именно эта черта лежит в основе феномена аллостерии. В сущности, это означает, что когда молекула (или лиганд) связывается с одним из сайтов на поверхности белка, это вызывает изменения конформации, которые демаскируют активные сайты в других участках белка. В известном смысле это может рассматриваться как наиболее примитивная сенсорная система – белковая молекула меняет свое поведение в ответ на какой-либо фактор окружающей среды (рис. 1.1).

Рис.1.1. Принципиальная схема действия эффектора на активность фермента.

АЕ – аллостерический эффектор, AS – активный сайт, Е – фермент, S – субстрат.

Когда АЕ связывается с ферментом, индуцируются изменения трехмерной конформации последнего (показанные стрелками), так что AS становится недоступным для субстратной молекулы(S).

Аллостерические переходы играют настолько важную роль, что можно сказать, что они лежат в основе всей клеточной биологии. Часто такие аллостерические переходы встречаются у белков, состоящих из более чем одной субъединицы. В таких случаях связывание лиганда с аллостерическим сайтом одной из субъединиц вызывает изменения, которые облегчают связывание лигандов с аллостерическими сайтами других субъединиц. Такое явление известно как кооперативная аллостерия и может приводить к более существеннным изменениями поведения аллостерического белка.

Одним из наиболее эффективных факторов, вызывающих аллостерические переходы, является фосфорилирование. Реакция фосфорилирования катализируется протеинкиназой. Протеинкиназы образуют большое семейство из нескольких сотен белков, каждый из включает каталитический домен из 250 аминокислот. Основная реакция состоит в переносе фосфатной группы с АТФ на гидроксильную группу боковой цепи аминокислот субстратного белка. Только три аминокислоты – серин, треонин и тирозин – обладают гидроксильной группой в боковых цепях, так что только эти аминокислоты и могут участвовать в реакции, которая схематически представлена на рис. 1.2.

Рис.1.2. Белок с боковой цепью (серин, треонин или тирозин), обозначенной на рисунке «аа». Протеинкиназы фосфорилируют боковую цепь за счет АТФ. Протеинфосфатазы затем дефосфорилируют боковую цепь.

Протеинкиназы, фосфорилирующие субстратные белки (что ведет к аллостерическим переходам в последних) сами находятся под аллостерическим контролем. Нет необходимости углубляться в биохимические тонкости процесса, однако стоит упомянуть о других ферментах – протеинфосфатазах, которые в цитозоле присутствуют, чтобы ликвидировать последствия деятельности киназ (рис. 1.2). Эти ферменты устраняют фосфат с субстратного белка, что позволяет последнему возвратиться к исходной конформации.

1.1.2. Мембраны

Второй элемент любой сенсорной системы – это биомембраны. Хотя наиболее древние мембраны, сформировавшиеся в первобытные времена, могли быть построены из аминокислот, все современные биологические мембраны (или биомембраны) состоят из липидного бислоя с белковыми включениями. Кроме того, большинство биомембран содержит и углеводы. Липиды образуют матрикс или основу, в которую погружены белки, а углеводы (там, где они присутствуют) присоединены либо к липидам (гликолипиды) или к белкам (гликопротеины) (рис. 1.3).

Липиды

На рис. 1.3 видно, что липиды образуют бимолекулярный слой. Они разделяются на три большие группы: фосфолипиды, гликолипиды и стероиды (в частности, холестерин). Важно отметить, что все эти молекулы относятся к амфипатическим, т. е. частично растворимым в воде, а частично – в органических растворителях. Типичный мембранный липид на одном из концов молекулы несет электростатический заряд и, таким образом, может связываться с водорастворимыми веществами, а другой конец, ковалентно не связанный с электростатическим зарядом, чувствует себя, как дома, в органическом растворителе. Поскольку и внеклеточная, и внутриклеточная среда практически исключительно водные, липиды, образующие бислойную мембрану, выстраиваются так, что их гидрофильные «головы» обращены в водную среду, а гидрофобные «хвосты» – друг к другу (изолированно как от водной среды снаружи, так и внутри клетки). Некоторые типичные мембранные липиды показаны на рис. 1.4.

Рис.1.3. Мембрана быстро заморожена до температуры жидкого азота и вскрыта сколом. Плоскость скола проходит через середину липидного бислоя. Рисунок показывает, как белки погружены в мембрану, а также положение углеводных цепей, проецирующихся с наружной поверхности («strings of sausages»).

Рис.1.4. Некоторые распространенные липиды мембран.

(А) Фосфатилилхолин (лецитин); (Б) сфингомиелин; (В) ганглиозид; (Г) холестерин. Пунктирная линия символизирует длинную алифатическую цепь.

Gal – галактоза, Glc – глюкоза, NANA – N-ацетилнейраминовая кислота.

Из того, что было сказано выше, а также рис. 1.3 и 1.4 ясно, что биологические мембраны – это весьма тонкие структуры. Составляющие их липиды удерживаются гидрофобными силами и случайными электростатическими взаимодействиями их «головных» групп. Чрезвычайно свободная структура липидного бислоя означает, что при комнатной температуре индивидуальные молекулы пребывают в постоянном движении. Действительно, гидрофобные жирнокислотные хвосты молекул липидов сравнимы с корзиной змей, переплетенных в постоянном движении. Внутренность мембраны, таким образом, с любой точки зрения представляет собой органическую жидкость.

Не все липидные составляющие биомембран столь же лабильны, как фосфолипиды. Холестерин, в частности, – это совершенно другой тип молекулы. Как показано на рис. 1.4, молекула холестерина состоит из трех составных частей: гидрофильной «головы» – гидроксильной группы, жесткого тарелкообразного стероидного кольца и гибкого гидрофобного хвоста. Количество холестерина в мембране значительно варьирует; когда он присутствует, увеличивается жесткость мембраны и уменьшается ее текучесть.

Текучесть мембраны определяется, на самом деле, не только количеством присутствующего в ней холестерина, но и длиной и насыщенностью жирных кислот, образующих ее основу. Искусственные мембраны, образованные липидами только одного вида, обладают достаточно резкой характеристикой данного фосфолипида – «температурой перехода» от жидкого состояния к гелю. Эта температура варьирует в различных местах естественной биомембраны, в зависимости от количества холестерина и насыщенности фосфолипидных «хвостов». Естественная мембрана может, таким образом, рассматриваться как мозаичная структура с различной степенью текучести.

Белки

В «лоскутное одеяло» биомембраны погружены белки. Хотя гликолипиды (такие, как молекулы клеточной адгезии) очень важны для клеточного распознавания, все же наиболее важные характеристики биомембран обусловлены не липидами, в белками. Количество белка в мембранах варьирует от 20% (миелин) до прибл. 75% массы (внутренняя мембрана митохондрий). Большинство мембран содержит по массе около 50% белка.

Большинство белков (как показано на рис. 1.4), погружено в мембрану. Они «плавают», как айсберги в переменчивом «море» фосфолипидов, или, если посмотреть на это иначе, образуют мозаику в жидком фосфолипидном матриксе. По этим причинам такая концепция структуры биомембран называется «жидкостно-мозаичной» моделью. В некоторых случаях белки пронизывают весь бислой и соприкасаются как с внутриклеточным, так и внеклеточным пространствами. В других случаях белки присоединены к мембране цепью жирной кислоты, фосфолипидом или пренильной группой. В этих случаях сам белок расположен в цитозоле. Некоторые из этих вариантов присоединения белков показаны на рис 1.5. Необходимо отметить, что мембранно связанные белки образуют базовые элементы всех сенсорных рецепторов.

Рис.1.5. Некоторые пути, которыми белки ассоциируются с мембраной. Цилиндры внутри мембраны символизируют α-спирали. (А) Одиночная α-спираль проходит через мембрану; (Б) многочисленные α-спирали проходят через мембрану; (В) белок соединен с цитоплазматической частью бислоя жирнокислотной цепью или пренильной группой (важный пример такого типа связи – G-белки); (Г) белок, погруженный в мембрану, нековалентно связан с другим белком в цитозоле.

Трансмембранные белки построены таким образом, что гидрофобные домены погружены в мембрану, а гидрофильные обращены в водные – внутриклеточный и(или) внеклеточный компартменты (см. рис. 1.5) По сравнению с глобулярными белками водного цитозоля внутримембранные домены мембранных белков в известном смысле перевернуты: их гидрофобные аминокислотные остатки обращены кнаружи, а гидрофильные загнуты внутрь. Это обеспечивает способность белка удерживаться в мембране. Очень часто, как это показано на рис. 1.5, внутримембранные домены состоят из α-спиральных сегментов. Опять-таки, огромное большинство аминокислотных остатков, образующих α-спирали, гидрофобны.

Исследования включения ферментативных белков в искусственный липидный бислой показывают, что активность таких белков кондиционируется их липидным окружением. Характеристики бислоя, такие как длина жирно-кислотной цепи, степень их насыщенности и природа липидных «голов», влияют на биологическую активность фермента. Точно так же, как на водорастворимые ферменты влияют характеристики водного окружения (рН, концентрация солей и т. д.), так ферменты, погруженные в слой липидов, зависят от конкретной структуры последних.

Подвижность белков

Мы уже сравнивали мембранные белки с айсбергами, плавающими в липидном море. Поэтому неудивительно, что многие из них обладают значительной латеральной подвижностью. Эта подвижность с большим эффектом была использована в формировании сигнальных систем, основанных на перемещениях белков в плоскости мембраны. Коэффициент диффузии белков составляет от прибл. 10^-9 см²/с для зрительных пигментов наружного сегмента палочек до прибл. 10^-11 см²/с для других белков. В первом случае белок проходит около 0,1 мкм в секунду, а во втором – 0,001 мкм/с. Существует множество причин для таких больших различий подвижности. Во-первых, это может происходить вследствие различий липидного состава мембран, который, как указывалось выше, влияет не ее текучесть. Белок может быть также частью большого комплекса с другими белками, который оказывается слишком большим, чтобы легко перемещаться. Подвижность может быть затруднена не принадлежащими собственно мембране структурами, такими как щелевые и тесные контакты, а также десмосомы и т. д. Последнее по порядку, но далеко не последнее по важности – возможность того, что мембранные белки заякорены за элементы примембранного цитоскелета.

1.1.3. Рецепторные молекулы

На границе между организмом и окружающей средой располагаются рецепторные молекулы. Не все органы чувств обращены такими молекулами во внешнюю среду, однако две важные экстероцепторные системы организованы именно так – хеморецепторы и фоторецепторы. Даже сенсорные системы, которые не полагаются на рецепторные молекулы в детектировании изменений окружающей среды, механо- и терморецептивная, тем не менее используют (как мы увидим ниже) мембранные белки, хотя и несколько иным образом.

Хемо- и фоторецепторные клетки имеют особую белковую организацию, сходную с той, которая обнаружена в рецепторных молекулах, реагирующих на нейромедиаторы в множестве синапсов. Полипептидные цепи таких рецепторов семь раз проходят через мембрану (рис. 1.6). Из-за такой организации – с семью трансмембранными сегментами, рецепторы именуются семидоменными (или 7ТМ), а иногда и змеевидными. Многие, но далеко не все семидоменные рецепторы эволюционно связаны. Они принадлежат огромному суперсемейству белков – согласно расчетам до 2% генома может быть занято кодированием этих вездесущих рецепторов.

Схематическое изображение на рис. 1.6А показывает, как семь трансмембранных сегментов расположены в мембране. Оно также показывает наличие больших внутри- и внеклеточных доменов. Рис. 1.6Б показывает, что в реальности семь трансмембранных сегментов образуют как бы пилоны полой колонны, ориентированные подобно лепесткам диафрагмы объектива или клепкам в бочке.

Рис.1.6. Архитектура семидоменного рецептора. (А) схематическое изображение: семь трансмембранных сегментов обозначены цифрами от 1 до 7. N-конец расположен внеклеточно, к нему обычно присоединены углеводные остатки (т.е. он гликолизован), что обозначено знаками е-1, е-2, е-3, они также могут быть гликолизированы. Внутриклеточные петли i-1, i-2, i-3 представляют собой места распознавания для специфических G-белков. Темными точками обозначены места фосфорилирования для протеинкиназ, а крестиками – сайты, на которые воздействуют специфические десенситизирующие протеинкиназы. (Б) Трехмерная конформация рецептора в мембране.

Семидоменные рецепторы не только имеют общую архитектуру, но и мембранно-связанные средства усиления сигнала. Этот механизм основывается на латеральной подвижности белков, в данном случае – G-белков, в биомембранах и на том обстоятельстве, что липидный бислой удерживает эти белки в тесной близости, так что они не могут диффундировать в цитозоль. Тонкий структурно-функциональный анализ семидоменных рецепторов показал, что первая, вторая и третья цитоплазматическая петли (1-1,1-2 и 1-3), а также карбоксильный конец (рис. 1.6 А) критичны для связывания с С-белком, при этом третья петля особенно важна в распознавании специфических G-белков. Кроме того, показано, что рецептор, подвергнутый длительному воздействию лиганда, значительно уменьшает свою чувствительность – это явление известно как десенситизация. Десенситизация происходит вследствие активности специфических протеинкиназ, фосфорилирующих гидроксильные группы серинового, треонинового и тирозинового остатков карбоксильного конца рецептора. Эти остатки обозначены крестиками на рис. 1.6 А. Помимо того сериновые, треониновые и тирозиновые остатки подвергаются воздействию неспецифических протеинкиназ (обозначены кружками). Фосфорилирование меняет трехмерную конформацию рецептора. Чувствительность восстанавливается при дефосфорилировании одним из многих фосфатазных ферментов, распространенных в цитозоле.

1.1.4. Мембранные сигнальные системы

Внешние мембраны клеток, разграничивающие внешнюю среду и цитозоль, развили множество биохимических механизмов, которые преобразуют внешние стимулы в передаваемые в цитозоль сигналы.

G-белки

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. Этот процесс схематически показан на рис. 1.7.

Рис.1.7. Схема G-белок сигнальной системы. S – стимул; R – мембранный рецептор; E – эффектор (фермент, ионный канал и т.д.); M – вторичный мессенджер.

G-белки, участвующие в передаче сигнала, являются членами еще одного большого надсемейства белков, в данном случае – гуанин-связывающих белков. G-белки – это прецизионные регуляторы, включающие или выключающие активность других молекул. Все С-белки «включаются» при связывании с ГТФ и «выключаются» гидролизом ГТФ до ГДФ. Этот гидролиз катализируется ГТФ-азной активностью самих G-белков. Процесс этот сравнительно медленный, протекающий в течение секунд – десятков секунд.

G-белки биологических мембран имеют гетеротримерную структуру. Они состоят из большой α-субъединицы (около 45 килодальтон – кДа), а также меньших β- и γ-субъединиц (рис. 1.8). α-субъединица обладает ГТФ-азной активностью, в неактивной («выключенной») форме она связывает молекулу ГДФ на активном сайте. Субъединицы β и γ связаны между собой, и в физиологических условиях не могут быть диссоциированы. В неактивном состоянии β-γ-комплекс непрочно связан с α-субъединицей. β-субъединица связана с цитоплазматическим листком биологической мембраны геранил-гераниловой цепью (20 атомов углерода в цепи), близкой по структуре к холестерину, α-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.

Рис.1.8. Конформация гетеротримерного мембрано-связанного G-белка. α-субъединица изображена с полостью, символизирующей сайт связывания ГДФ или ГТФ.

α-субъединицы чрезвычайно вариабельны. Например те, что обнаружены в обонятельной системе, существенно отличаются от таковых в зрительной системе, β- и γ-субъединицы менее гетерогенны, хотя известно множество различных их типов. Такая молекулярная гетерогенность дает возможность организовать гибкую высокоадаптивную сигнальную систему.

Когда комплекс G-белка, перемещающийся в мембране, входит в контакт с активированным семидоменным рецептором, это приводит к освобождению ГДФ. Вследствие избытка в цитозоле ГТФ диффузия последнего обеспечивает занятие освободившегося сайта. После того, как это происходит, тримерный комплекс G-белка разделяется. β- и γ-субъединицы, остающиеся соединенными между собой, диссоциируют от α-субъединицы, далее эти части комплекса двигаются своими отдельными путями, α-субъединица 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 главах. Взаимодействие с эффектором, однако, длится до тех пор, пока α-субъединица, являющаяся ГТФ-азой, удерживает ГТФ. Так что, очень вскоре присоединенный ГТФ гидролизуется до ГДФ. Когда это происходит, α-субъединица снова меняет свою конформацию и теряет способность активировать эффектор. После этого α-ГДФ взаимодействует с β-γ-комплексом и снова образует тримерный комплекс, завершая, таким образом, цикл (рис. 1.9). До недавнего времени полагали, что β - γ -комплекс не играет серьезной роли в мембранной сигнализации. Теперь это ставится под сомнение – существуют данные о том, что этот комплекс может играть независимую роль. Возможно, что он способен ингибировать активность свободной α-субъединицы или независимо влиять на мембранные эффекторы.

Рис.1.9. Сигнальная система G-белка в биологической мембране. (А) фаза покоя; (Б) лиганд присоединяется и активирует рецептор; (В) G-белок сталкивается с активированным рецептором, диссоциирует, и α-субъединица теряет ГДФ; (Г) α-субъединица активируется, присоединяя ГТФ; (Д) α-субъединица присоединяется к эффектору и активирует его, эффектор, в свою очередь, катализирует синтез вторичного мессенджера; (Е) дефосфорилиррование ГТФ деактивирует α-субъединицу, которая отсоединяется от эффектора, готовая начать весь цикл сначала. Пунктирное окрашивание рецептора на рисунке символизирует активацию; Е – эффектор; L – лиганд, R – рецептор.

Эффекторы и вторичные мессенджеры

Существует целый ряд классов эффекторных молекул: циклазные ферменты, фосфолипазы, фосфодиэстеразы, мембранные каналы. Соответственно, существуют и различные типы вторичных мессенджеров: цАМФ, цГМФ, инозитолтрифосфат (ИФ₃), диацилглицерин (ДАГ) и вездесущий ион Са²⁺. В данном разделе будут рассмотрены только два типа эффекторов – аденилат-циклазы (АЦ) и фосфолипаза С-β (ФИФ₂-фосфолипаза), которые продуцируют важные вторичные мессенджеры.

Аденилатциклазы

Эти ферменты катализируют формирование цАМФ, вездесущего и, возможно, самого важного вторичного мессенджера в клетках животных. Наиболее существенная роль цАМФ состоит в активации цАМФ-зависимых протеинкиназ (ПК). Будучи активирован, этот мультимерный фермент фосфорилирует (при участии АТФ) тот или иной из множества биологически активных белков, представленных в клетке – ферментативных, рецепторных и канальных белков, ядерных гистонов, факторов транскрипции и т. д. Фосфорилируются, как правило, сериновые, треониновые или тирозиновые остатки, что приводит либо к ингибированию (ср. упомянутую выше десенситизацию G-белок-связанных рецепторов), либо активации белка. Последующее дефосфорилирование, восстанавливающее исходное состояние, обеспечивается одним из множества фосфатазных ферментов цитозоля.

Молекулярно-биологическими методами показано существование в клетках млекопитающих по крайней мере шести различных аденилатциклаз. Все они имеют молекулярную массу около 120–130 кДа, а исследование их гидрофобной части показывает наличие 12 трансмембранных сегментов. Шесть циклаз различаются по чувствительности к β-γ-комплексу G-белков и к Са²⁺-связывающему белку кальмодулину. Аденилатциклаза типа 1, например, стимулируется Са²⁺-кальмодулином и ингибируется β-γ-димером, тогда как аденилатциклаза типа 2 не реагирует на первый и стимулируется вторым.

Фосфолипаза С-β (ФЛС-β или ФИФ₂-фосфолипаза)

Активация этого важного вторичного эффектора приводит к продукции двух вторичных мессенджероь: инозитолтрифосфата (ИФ₃) и диацилглицерина (ДАГ С-β фосфолипида – фосфатидилинозитол 4,5 бифосфата (ФИФ₂), который в основном содержится во внутреннем листке плазматической мембраны (рис. 1.10).

Рис.1.10. Путь формирования вторичного мессенджера, включающий ФЛС-β. Активация рецептора ведет через G-белок-связывающий систему к активации ФЛС-β. Последняя расщепляет мембранный липид фосфатидилинозитол-дифосфат на ИФ₃ и ДАГ. ИФ₃ диффундирует в цитозоль; ДАГ остается в мембране.

Более полное рассмотрение – в тексте.

Рис. 1.10 показывает рецептор, взаимодействующий с неким внешним сигналом, что приводит через G-белковый механизм к активации погруженной в мембрану ФЛС-β. Последняя реагирует с ФИФ₂, образуя ИФ₃ и ДАГ. ИФ₃ – это водорастворимая молекула и потому легко диффундирует в цитозоль. Здесь он может взаимодействовать с соответствующими рецепторами в мембранах эндоплазматического ретикулума, что приводит к освобождению Са²⁺. Эти ионы имеют многочисленные эффекты на клеточную биохимию. В конце концов ИФ₃ инактивируется инозитолтрифосфатазой. С другой стороны, ДАГ – гидрофобное вещество и потому остается в мембране.

Мы не закончили рассмотрение данной системы, поскольку еще не рассмотрели функцию ДАГ. Он взаимодействует с мембранно-связанной протеинкиназой – протеинкиназой С (ПКС), эта реакция является Са²⁺-зависимой. Следовательно, когда концентрация Са²⁺ в цитозоле повышается (эффект, который мы видели в случае ИФ₃), ДАТ активирует ПКС. Такая активация также требует участия фосфолипида – фосфатидилсерина, который присутствует во внутреннем листке мембраны. Активированная ПКС может активировать белки, вызывающие специфические биохимические ответы. В нейронах продемонстрирован целый ряд таких реакций, в том числе синтез и секреция нейромедиаторов, изменение чувствительности рецепторов и функции цитоскелета.

Из изложенного выше ясно, что G-белковая система обеспечивает чрезвычайно гибкий способ трансформаци внешнего сигнала во вторичный мессенджер, который может диффундировать в цитозоль. Вторичных мессенджеров достаточно много (в зависимости от эффекторного фермента), однако наиболее распространенным является циклический АМФ (цАМФ). Альтенативным вариантом, как упоминалось выше, может быть воздействие α-субъединицы на работу мембранного канала, что в свою очередь может изменять электрическую полярность мембраны.

1.1.5. Каналы и воротные механизмы

Как показано выше, биомембрана состоит из белков, погруженных в липидный бислой, эффективно препятствующий проникновению гидрофильных веществ через мембрану. Погруженные в бислой белки часто формируют гидрофильные каналы, через которые могут проходить неорганические ионы и другие водорастворимые вещества. Некоторые из этих каналов, т. н. «каналы утечки», позволяют ионам, например ионам калия, перемещаться по градиенту концентрации в клетку или из нее; другие играют более активную роль и действуют как воротный механизм, контролирующий ионные потоки.

Дата добавления: 2014-12-29