Внутриклеточная коммуникация с участием вторых посредников

Регуляторные функции, описанные выше, включают воздействия на клеточную мембрану. Информация, полученная мембраной клетки, часто должна вызывать реакцию органелл и переносится к ним различными веществами, известными как вторые посредники (в отличие от первых, поступающих к клетке от внешних источников). Изучение вторых посредников развивается быстро, и нет гарантии, что нынешний уровень понимания проблемы окажется достаточно полным. Здесь мы коснемся трех хорошо изученных посредников: Са²⁺, цАМФ и инозитолтрифосфата.

Кальций. Простейший внутриклеточный посредник - это ион Са^{2 +}. Его свободная концентрация в покоящейся клетке очень низка и составляет 10⁻⁸10 ⁻⁷ моль-л⁻¹. Он может проникать в клетку через специфические мембранные каналы, когда они находятся в открытом состоянии, например при изменениях мембранного потенпиала (см. гл. 2). Возникающее в результате повышение концентрации Ca^{2 +} запускает важные реакции в клетке, такие, как сокращение миофибрилл, которое является основой мышечного сокращения (см. гл. 4), или выделение везикул, содержащих медиаторы, из нервных окончаний (см. гл. 3). Обе реакции требуют концентрации Са²⁺, равной приблизительно 10 ⁻⁵ моль-л⁻¹. Са^{2 +}, оказывающий регуляторное действие, может высвобождаться также и из внутриклеточных депо, таких, как эндоплазматический ретикулум. Высвобождение Са²⁺ из депо требует участия других посредников (см., например, рис. 1.16).

Циклический аденозинмонофосфат, цАМФ. В последнее время доказано, что циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), производное основного источника энергии в организме - АТФ, является важным вторым посредником. Сложная цепь реакций, показанная на рис. 1.15, начинается с рецептора R_s на наружной поверхности плазматической мембраны, который может служить местом специфического связывания для различных медиаторов и гормонов. После связывания со специфической «стимулирующей» молекулой R_s изменяет свою конформацию; эти изменения влияют на белок G_s на внутренней поверхности мембраны таким образом, что становится возможной активация последнего внутриклеточным гуанозинтрифосфатом (ГТФ). Активированный белок G_s, в свою очередь, стимулирует фермент на внутренней поверхности мембраны - аденилатциклазу (АЦ), которая катализирует образование цАМФ из АТФ. Водорастворимый цАМФ и является посредником, передающим эффект сти-

24 ЧАСТЬ I. ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТКИ

Рис. 1.15.Цепь реакций с участием внутриклеточного посредника цАМФ (циклического аденозинмонофосфата). Возбуждающий или тормозный внешние сигналы активируют мембранные рецепторы Rs или Ri. Эти рецепторы регулируют процесс связывания G-белков с внутриклеточным ГТФ (гуанозинтрифосфатом), стимулируя или ингибируя тем самым внутриклеточную аденилатциклазу (АЦ). Усиливающий фермент АЦ превращает аденозинтрифосфат (АТФ) в цАМФ, который затем при участии фосфодиэстеразы расщепляется до АМФ. Свободный цАМФ диффундирует в клетку и активирует аденилаткиназу (А-киназу). высвобождая ее каталитическую субъединицу С, которая катализирует фосфорилирование внутриклеточных белков, т.е. формирует конечный эффект внеклеточного стимула. На схеме показаны также фармакологические препараты и токсины, которые запускают (+) или ингибируют (—) некоторые реакции (по [8] с изменениями)

муляции внеклеточного рецептора R_s к внутренним структурам клетки.

Параллельно со стимуляторной цепью реакций с участием R_s возможно связывание тормозных медиаторов и гормонов с соответствующим рецептором R_i, который опять-таки через ГТФ-активируемый белок G_i ингибирует АЦ и, таким образом, продукцию цАМФ. Диффундируя в клетку, цАМФ реагирует с аденилаткиназой (А-киназа); при этом высвобождается субъединица С, которая катализирует фосфорилирование белка Р. Это фосфорилирование переводит белки в активную форму, и теперь они могут проявить свое специфическое регулирующее действие (например, вызвать деградацию гликогена). Эта сложная регуляторная система чрезвычайно эффективна, так как конечным результатом является фосфорилирование множества белков, т. е. регуляторный сигнал проходит цепь с большим коэффициентом усиления. Наружные медиаторы, которые связываются с рецепторами R_s и R_i, специфическими для каждого из них, чрезвычайно разно-

образны. Адреналин, связываясь с R_s или R_i, участвует в регуляции метаболизма липидов и гликогена, а также в усилении сокращения сердечной мышцы и в других реакциях (см. гл. 19). Тиреотропный гормон, активируя R_s, стимулирует выделение щитовидной железой гормона тироксина, а простагландин I тормозит агрегацию кровяных пластинок. Ингибиторные эффекты, в том числе адреналина, опосредованные через R_i, выражаются в замедлении липолиза. Таким образом, система цАМФ-это многофункциональная внутриклеточная регуляторная система,которая может точно контролироваться внеклеточными стимуляторными и ингибиторными сигнальными веществами.

Инозитолфосфат «ИФ₃». Внутриклеточная система второго посредника - инозитолфосфата - была открыта лишь недавно (рис. 1.16). В данном случае ингибиторный путь отсутствует, однако имеется сходство с системой цАМФ, в которой эффект стимуляции рецептора R переносится на ГТФ-активируемый G-белок на внутренней поверхности мембраны. На следующем этапе обычный мембранный липид фосфатидилинозитол (ФИ), предварительно получив две дополнительные фосфатные группы, превращается в ФИ-дифосфат (ФИФ₂), который расщепляется активированной фосфодиэстеразой (ФДЭ) на инозитолтрифосфат (ИФ₃) и липид диацилглицерол (ДАГ). Инозитолтрифосфат - это водорастворимый второй посредник, диффундирующий в цитозоль. Он действует в первую очередь путем высвобождения Ca^{2 +} из эндоплазматического ретикулума. Са²⁺ в свою очередь действует в качестве посредника, как было описано выше; например, он активирует Ca²⁺-зависимую фосфокиназу, фосфорилирующую ферменты. Липидная субъединица ДАГ (рис. 1.16) также переносит сигнал, диффундируя в липидной фазе плазматической мембраны к расположенной на ее внутренней поверхности С-киназе, которая и активируется с участием фосфатидилсерина в качестве кофактора. Затем С-киназа запускает фосфорилирование белков, переводя их в активную форму.

Внутриклеточная система второго посредника ИФ₃ также может управляться множеством внешних медиаторов и гормонов, в том числе ацетилхолином, серотонином, вазопрессином и тиреотропным гормоном; как и система цАМФ, она характеризуется разнообразными внутриклеточными эффектами. Возможно, эта система активируется и светом в зрительном рецепторе глаза, и играет центральную роль в фототрансдукции (см. гл. 11). Впервые в индивидуальном развитии организма рецептор системы ИФ₃ активируется спермием, вследствие чего ИФ₃ принимает участие в регуляторных реакциях, сопровождающих оплодотворение яйцеклетки.

Системы цАМФ и ИФ₃-ДАГ являются высокоэффективными биологическими усилителями. Они

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ КЛЕТОЧНОЙ ФИЗИОЛОГИИ 25

Рис. 1.16.Цепь реакций с участием внутриклеточного посредника ИФ3 (инозитолтрифосфата). Как и в системе цАМФ, внеклеточный сигнал опосредован через белок G, который в данном случае активирует фосфодиэстеразу (ФДЭ). Этот фермент расщепляет фосфатидилинозиндифосфат (ФИФ2) в плазматической мембране до ИФ3 и диацилглицерола (ДАГ); ИФ3 диффундирует в цитоплазму. Здесь он вызывает выброс Са2+ из зндоплазматического ретикулума; повышение концентрации Са2+ в цитоплазме ([Ca2+],-) активирует протеинкиназу. которая фосфорилирует и, следовательно, активирует ферменты. Другой продукт, ДАГ, остается в мембране и активирует протеинкиназу С (кофактор фосфатидилсерин, ФС). Протеинкиназа С также фосфорилирует ферменты, опосредующие специфическое действие, связанное со стимуляцией внешнего рецептора R. Ветви цепи реакций с участием ИФ3 и ДАГ могут быть активированы независимо иономицином и форболовым эфиром соответственно (по [8, 9] с изменениями)

преобразуют реакцию между медиатором и наружным мембранным рецептором в фосфорилирование множества внутриклеточных белков, которые затем могут влиять на различные функции клетки. Один из существенных аспектов проблемы состоит в том, что, насколько известно на сегодняшний день, су-

ществуют только эти две тесно связанные регуляторные системы такого типа, используемые многочисленными внешними посредниками для регуляции разнообразных внутриклеточных процессов. Вместе с тем, эти регуляторные системы, в том числе и Са²⁺, тесно взаимодействуют друг с другом, что позволяет им осуществлять тонкую регуляцию клеточных функций.

Литература