Строение и классификация рецепторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рецептор -- сложное образование, состоящее из терминалей (нервных окончаний) дендритов чувствительных нейронов, глии, специализированных образований межклеточного вещества и специализированных клеток других тканей, которые в комплексе обеспечивают превращение влияния факторов внешней или внутренней среды (раздражитель) в нервный импульс.

Большинство рецепторов представляют собой белки. Это рецепторы гормонов, факторов роста, медиаторов, белки, участвующие в важнейших метаболических и регуляторных реакциях (дигидрофолатредуктаза, АХЭ), транспортные белки (Nа+/К+-АТФаза), структурные белки (тубулин). В роли рецепторов могут выступать и клеточные компоненты иной химической природы, например нуклеиновые кислоты, с которыми взаимодействуют противоопухолевые средства.

Фармакологическое значение имеют рецепторы эндогенных регуляторных факторов -- гормонов, медиаторов и т. д. Эти рецепторы служат мишенями для многих лекарственных средств, обычно действующих избирательно благодаря высокой специфичности рецепторов по отношению к эндогенным лигандам. Лекарственные средства, которые при связывании с рецептором воспроизводят физиологический эффект эндогенного лиганда, называются агонистами, или стимуляторами. Препараты, которые не вызывают такого эффекта, но препятствуют связыванию эндогенных лигандов, называются антагонистами, или блокаторами. Вещества, эффект которых менее выражен, чем эффект агонистов, называют частичными агонистами. Препараты, стабилизирующие рецептор в неактивированной конформации, относят к обратным агонистам.

Классификации по локализации рецепторов

По локализации различают мембранные, цитоплазматические и ядерные рецепторы. По другой классификации все рецепторы можно разделить на быстроотвечающие (в пределах миллисекунд) и медленноотвечающие, в пределах нескольких минут или даже часов, что характерно для гормонов, передающих сигнал на внутриклеточные рецепторы. Рецепторы первого типа - интегральные олигомерные белки, содержащие субъединицу, имеющую центр для связывания сигнальной молекулы и центральный ионный канал.

Рецепторы второго типа, локализованные в мембранах и не связанные с каналами, подразделяют на 2 большие группы: каталитические рецепторы, обладающие собственной тирозин-киназной или гуанилатциклазной активностью, и рецепторы, взаимодействующие через G-белок с мембранным ферментом. Связывание ли-ганда (например, гормона) с рецептором на наружной стороне клеточной мембраны приводит к изменению активности цитоплазматического фермента, который, в свою очередь, инициирует клеточный ответ, т.е. через мембрану переносится информация, а не заряды или какие-либо растворённые молекулы.

В случае цитоплазматических рецепторов через мембрану проходит гормон, а информация о присутствии гормона в клетке с помощью рецептора передаётся в ядро.

Различные клетки организма в зависимости от выполняемых ими функций имеют определённый набор рецепторов. В мембране одной клетки может быть более десятка разных типов рецепторов. Взаимодействуя с рецептором, внеклеточные химические посредники оказывают влияние на метаболизм и функциональное состояние (пролиферация, секреция и т.д.) клеток-мишеней.

Классификация рецепторов в зависимости от их структуры и функции

В последние 20 лет одновременно с открытием множества новых рецепторов были существенно расширены наши представления о структуре рецепторов и биохимических основах их функционирования. Методами молекулярного клонирования выявлены как совершенно новые рецепторы и их лиганды, так и многочисленные изоформы ранее известных рецепторов. В настоящее время созданы базы данных, посвященные структуре определенных классов рецепторов. Рецепторы, белки-преобразователи и эффекторные белки выделены в чистом виде, а биохимический механизм их действия хорошо изучен. Их можно синтезировать с помощью молекулярно-генетических методов или в культуре клеток (бактерий, грибов), а затем исследовать также с использованием клеточных культур.

В зависимости от структуры и механизма действия рецепторы биологически активных веществ делят на несколько классов. Число этих классов невелико. На сегодняшний день мы имеем по крайней мере элементарные представления о структуре рецепторного и эффекторного доменов в каждом классе, а также о том, каким образом связывание лиганда изменяет функциональное состояние рецептора. Биохимические механизмы действия и структура рецепторов эндогенных регуляторных факторов не отличаются большим разнообразием, поэтому клетки-мишени способны интегрировать разные внешние сигналы, усиливающие или ослабляющие друг друга, и генерировать согласованную ответную реакцию.

Рецепторы с ферментативной активностью

Самая большая группа рецепторов, обладающих ферментативной активностью, -- это мембранные рецепторы с собственной протеинкиназной активностью. Они фосфорилируют разнообразные эффекторные белки, расположенные с внутренней стороны клеточной мембраны. В результате изменяется функция этих белков или их взаимодействие с другими белками. Одни рецепторы (их большинство) фосфорилируют тирозиновые остатки (рецепторы инсулина, многих цитокинов, пептидов, белков, регулирующих пролиферацию и дифференцировку клеток), другие -- сери новые или треониновые остатки. В самом общем случие рецептор с собственной протеинкиназной активностью состоит из внеклеточного рецепторного домена, трансмембранного домена и внутриклеточного каталитического домена, обладающего протеинкиназной активностью. Отдельные рецепторы помимо каталитического домена могут иметь несколько внутриклеточных регуляторных доменов и доменов, связывающих белки. Некоторые рецепторы с собственной протеинкиназной активностью олигомеризуются при связывании лиганда.

Рецепторы с тирозинкиназной активностью. Тирозиновые протеинкиназы - ферменты, фосфорилирующие специфические белки по тирозину, подразделяют на 2 типа - мембранные (рецепторные) и цитоплазматические. Внутриклеточные тирозиновые протеинкиназы принимают участие в процессах передачи сигнала в ядро. Рецепторные тирозиновые протеинкиназы участвуют в трансмембранной передаче сигналов.

Примером рецепторной тирозиновой протеинкиназы может служить рецептор инсулина (рис. 5-31). Рецептор инсулина - тирозиновая протеинкиназа, фосфорилирующая белки по ОН-группам тирозина.

Активация рецептора инсулина - тирозиновой протеинкиназы

Рецептор состоит из двух б- и двух в-субъединиц, связанных дисульфидными связями и нековалентными взаимодействиями, б- и в-Субъединицы - гликопротеины с углеводной частью на наружной стороне мембраны. Вне мембраны на её поверхности находятся б-субъединицы. Центр связывания инсулина образован N-концевыми доменами б-субъединиц. в-Субъединицы пронизывают мембранный бислой и не участвуют в связывании инсулина.

Каталитический центр тирозиновой протеинкиназы находится на внутриклеточных доменах в-субъединиц. В отсутствие гормона инсулиновые рецепторы не проявляют тирозинкиназной активности. Присоединение инсулина к центру связывания на б-субъединицах активирует фермент, причём субстратом служит сама тирозиновая протеинкиназа (в-субъединицы), т.е. происходит фоСфорилирование в-субъединицы по нескольким тирозиновым остаткам. Фосфорилирование в-субъединиц происходит по механизму межмолекулярного трансфосфорилирования, т.е. одна в-цепь фосфорилирует другую в-цепь той же молекулы рецептора. Это, в свою очередь, приводит к изменению субстратной специфичности тирозиновой протеинкиназы; теперь она способна фосфорилировать другие внутриклеточные белки. Активация и изменение специфичности обусловлены конформационными изменениями рецептора инсулина после связывания гормона и аутофосфорилирования.

Ключевой белок, фосфорилируемый тирозиновой протеинкиназой, - субстрат инсулинового рецептора-1 (от англ, insulin receptor substrate, IRS-I). Фосфорилированный IRS-I активирует ферменты, например тирозиновую фосфопротеинфосфатазу, и белки, участвующие в регуляции клеточных процессов.

Дефосфорилирование рецептора под действием тирозиновой фосфопротеинфосфатазы возвращает его в неактивное состояние. Сродство рецептора к инсулину снижается при его фосфорилировании протеинкиназой А по аминокислотным остаткам серина и треонина.

Существует еще один класс рецепторов с протеинкиназной активностью -- это рецепторы, сопряженные с протеинкиназами. Они лишены внутриклеточного каталитического домена, но при взаимодействии с агонистом связывают или активируют на внутренней поверхности мембраны внутриклеточные протеинкиназы. Таковы рецепторы нейротрофических факторов и состоящие из нескольких субъединиц антигенраспознающие рецепторы Т- и В-лимфоцитов. Последние взаимодействуют также с фосфотирозинфосфатазами. Функция других рецепторов, не имеющих внутриклеточного эффекторного домена, возможно, опосредована какими-то другими эффекторными белками.

Все полярные сигнальные молекулы, действующие на клетку-мишень через мембранные рецепторы, осуществляют свою биологическую функцию путём фосфорилирования специфических белков и ферментов, регулирующих метаболизм в клетке. Фосфорилирование изменяет (увеличивает или уменьшает) их активность. Катализируют фосфорилирование белков (протеинов) протеинкиназы по аминокислотным остаткам серина, треонина, тирозина. Протеинкиназы могут быть субъединицей мембранного рецептора, например тирозиновая протеинкиназа рецептора инсулина, активность которой регулируется гормоном. Другая группа - Протеинкиназы, регулируемые вторичными вестниками гормонального сигнала (цАМФ, цГМФ, Са2+, ДАТ), например протеинкиназа А, протеинкиназа С, протеинкиназа G, кальмодулинзависимые Протеинкиназы и др.

Протеинкиназы А .Протеинкиназы А (цАМФ-стимулируемые) участвуют в аденилатциклазной системе передачи сигнала. Протеинкиназа А состоит из 4 субъединиц R2C2 - двух регуляторных субъединиц (R2) и двух каталитических (С2). Комплекс R2C2 нe обладает ферментативной активностью.

Комплекс R2C2 разными способами прикрепляется к мембране. Некоторые формы Протеинкиназы А "заякориваются" с помощью алифатического остатка миристиновой кислоты каталитических субъединиц. Во многих тканях протеинкиназа А связана с "заякоренным" белком AKAPS (от англ. cAMP-dependent protein kinase anchoring proteins). AKAPs имеет центр связывания для регуляторных субъединиц Протеинкиназы А. С помощью белка AKAPS протеинкиназа А связывается с мембраной в области локализации ферментов, катализирующих образование цАМФ (аденилатциклаза) или его гидролиз (фосфодиэс-тераза), а также белков, в регуляции активности которых фермент принимает участие, например потенциалзависимые Са2+-каналы.

Регуляторные субъединицы Протеинкиназы А имеют специфические центры для связывания цАМФ. Присоединение цАМФ к регуляторным субъединицам приводит к изменению конформации последних и снижению сродства к каталитическим субъединицам С, происходит диссоциация по схеме:

цАМФ4 + R2C2 > цАМФ4R2+ С + С

Субъединицы С представляют собой активную форму Протеинкиназы А, которая катализирует реакции фосфорилирования белков по серину и треонину. Каталитические субъединицы С у разных типов протеинкиназ А не идентичны, они различаются прежде всего специфичностью в отношении белков-субстратов.

Протеинкиназы С .Протеинкиназы С участвуют в инозитолфосфатной системе передачи сигнала. Фермент состоит из двух функционально различных доменов - регуляторного и каталитического. Регуляторный домен содержит 2 структуры ("цинковые пальцы"), образованные фрагментами пептидной цепи, богатыми цистеином, и содержащими 2 иона цинка. "Цинковые пальцы" участвуют в связывании диацилглицерола. Другой фрагмент регуляторного домена имеет высокое сродство к Са2+. Повышение концентрации кальция в цитозоле увеличивает сродство Протеинкиназы С к фосфатидилсерину мембраны. Транслокация Протеинкиназы С к мембране позволяет ферменту связаться с ДАГ, который ещё больше повышает сродство Протеинкиназы С к ионам кальция (рис. 5-38). Наиболее распространённые изоформы Протеинкиназы С активируются Са2+, диацилглицеролом и фосфатидилсерином.

Каталитический домен имеет центр, связывающий АТФ и белок-субстрат. Активная форма фермента Протеинкиназы С фосфорилирует белки по остаткам серина и треонина. Снижение концентрации ионов кальция в клетке нарушает связь Протеинкиназы С с фосфатидилсерином и диацилглицеролом, фермент переходит в неактивную форму и отделяется от мембраны.

Протеинкиназы G .В отличие от Протеинкиназы А, протеинкиназа G присутствует не во всех тканях, её обнаруживают в лёгких, мозжечке, гладких мышцах и тромбоцитах. Изоформы Протеинкиназы G могут быть связаны с мембраной или находиться в цитоплазме. Растворимая протеинкиназа G состоит из двух идентичных субъединиц, каждая из которых имеет два центра для связывания цГМФ. Присоединение цГМФ к регуляторным центрам вызывает конформационные изменения субъединиц и повышает каталитическую активность фермента. Протеинкиназа G, подобно протеинкиназе А и С, специфична в отношении определённых белковых субстратов, которые она фосфорилирует по остаткам серина и треонина.

Сходную структуру имеют и другие рецепторы с собственной ферментативной активностью. К ним относятся, например, рецепторы с собственной фосфотирозинфосфатазной активностью: их внеклеточный домен похож по аминокислотной последовательности на молекулы адгезии. Для многих рецепторов с собственной фосфотирозинфосфатазной активностью эндогенные лиганды не известны. Тем не менее, по данным генетических и биохимических исследований, проведенных на разных типах клеток, ферментативная активность этих рецепторов играет важную роль. Внутриклеточный домен рецепторов предсердного натрийуретического гормона, других натрийуретических пептидов, а также рецепторов гуанилина обладает собственной гуанилатциклазной активностью и синтезирует цГМФ, выступающий в роли второго посредника. У беспозвоночных рецепторы с собственной гуанилатциклазной активностью служат рецепторами феромонов. Возможно, существуют и другие рецепторы с собственной ферментативной активностью.

Рецепторы с гуанилатциклазной активностью . Гуанилатциклаза катализирует образование цГМФ из ГТФ, одного из важных посредников внутриклеточной передачи сигнала (рис. 5-32, 5-33). Гуанилатциклаза находится в клетке, как в мембранносвязанном состоянии, так и в цитозольном.

Образование 3',5'-циклического ГМФ (цГМФ)

Регуляция активности мембранной (1) и цитозольной (2) гуанилатциклазы

Соотношения этих двух форм фермента в различных тканях разное. Например, в клетках тонкого кишечника 90% гуанилатциклазы находится в мембранах, а в лёгких и печени - лишь 20%. Цитозольная и мембранносвязанная гуанилатциклазы различаются не только по локализации, но и по молекулярной массе, активности, способу регуляции.

Цитозольная форма гуанилатциклазы состоит из двух субъединиц (б и в) и содержит в своём составе простетическую группу - гем. В области гема связывается активатор этой формы гуанилатциклазы - оксид азота (NO), образующийся из аргинина под действием фермента синтазы оксида азота.

Мембраннсювязанная гуанилатциклаза - трансмембранный гликопротеин. Внутриклеточный домен гуанилатциклазы проявляет каталитическую активность, внеклеточный домен служит рецептором. Присоединение активатора к рецептору вызывает изменение конформации в мембранном и цитозольном доменах и, как следствие, активацию гуашиатциклазы. В тканях человека присутствуют 3 типа мембранносвязанных гуанилатциклаз, в активации которых принимают участие специфические регуляторы - предсердный натрийуретический фактор (ПНФ), натрийурети-ческий пептид из мозга и кишечный пептид гуанилин.

В клетках тканей выявлены 3 основных типа внутриклеточных рецепторных белков, с которыми взаимодействует цГМФ: цГМФ-зависимая протеинкиназа (протеинкиназа G), цГМФ-регулируемые ионные каналы и цГМФ-регулируемая фосфодиэстераза, специфичная к цАМФ (катализирует превращение цАМФ в АМФ).

цГМФ играет важную роль в регуляции Са2+-гомеостаза в различных типах клеток. Повышение концентрации цГМФ приводит к понижению концентрации Са2+ как в результате активации Са2+-АТФ-аз, так и за счёт подавления рецепторзависимого поступления этого иона в цитоплазму клетки. Эти эффекты опосредованы действием протеинкиназы G на мембранные белки, участвующие в обмене Са2+.

Рецепторы, сопряженные с G-белками

Это довольно большой класс рецепторов, которые взаимодействуют с эффекторами через G-белки (белки, связывающие ГТФ). К нему относятся рецепторы многих биогенных аминов, липидных сигнальных молекул (в частности, эйкозаноидов), разнообразных пептидных и белковых лигандов. В качестве эффекторов выступают ферменты (аденилатциклаза, фосфолипаза С) и калиевые и кальциевые мембранные каналы (рис. 2.2). Большое число и важная физиологическая роль рецепторов, сопряженных с G-белками, делает их прекрасными мишенями для лекарственных средств: на эти рецепторы действует примерно половина всех назначаемых врачами препаратов (исключая антибиотики).

Рецепторы, сопряженные с G-белками, содержат семь трансмембранных а-спиральных доменов. Участком связывания лиганда служит либо карман, который образован внеклеточными петлями, соединяющими трансмембранные домены, либо N-концевой глобулярный рецепторный домен. G-белок связывается с внутриклеточным доменом рецептора. G-белки -- это гетерогримеры, состоящие из а-субъединицы, которая обеспечивает связывание с рецептором и присоединяет ГТФ, и прочного комплекса из в- и у-субъединиц. В результате взаимодействия комплекса лиганд--рецептор с G-белком а-субъединица связывает ГТФ, высвобождается и активирует эффекторные белки, а комплекс, состоящий из в- и у-субъединиц, в свою очередь, может действовать на другие эффекторные белки. G-белок остается активированным до тех пор, пока ГТФ не гидролизуется до ГДФ.

Клетка может нести на своей поверхности до 20 рецепторов, каждый из которых избирательно взаимодействует с одним или несколькими типами G-белков (у разных типов а-субъединицы различаются). Альфа-субъединица способна взаимодействовать с одним или несколькими эффекторными белками, что позволяет согласовывать сигналы от рецепторов разных лигандов с помощью одного G-белка. С другой стороны, один рецептор может запускать несколько механизмов внутриклеточной передачи сигнала, активируя несколько типов G-белков, и воздействовать на разные эффекторные белки через одну и ту же а-субъединицу.

G-белки (ГТФ-связывающие белки) - универсальные посредники при передаче сигналов от рецепторов к ферментам клеточной мембраны, катализирующим образование вторичных посредников гормонального сигнала. G-белки - олигомеры, состоящие из б, в и г-субъединиц. Состав димеров вг незначительно различаются в разных тканях, но в пределах одной клетки все G-белки, как правило, имеют одинаковый комплект вг-субъединиц. Поэтому G-белки принято различать по их б-субъединицам. Выявлено 16 генов, кодирующих различные б-субъединицы G-белков. Некоторые из генов имеют более одного белка,, вследствие альтернативного сплайсинга РНК.

Каждая б-субъединица в составе G-белка имеет специфические центры:

связывания ГТФ или ГДФ;

взаимодействия с рецептором;

связывания с вг-субъединицами;

фосфорилирования под действием протеинкиназы С;

взаимодействия с ферментом аденилатциклазой или фосфолипазой С.

В структуре G-белков отсутствуют б-спиральные, пронизывающие мембрану домены. G-белки относят к группе "заякоренных" белков.

Внутриклеточные рецепторы

Рецепторы стероидных и тиреоидных гормонов, кальцитриола и ретиноидов представляют собой растворимые внутриклеточные ДНК-связывающие белки, регулирующие транскрипцию определенных генов (Mangels-dorf et al., 1994). Эти рецепторы принадлежат к суперсемейству лиганд-чувствительных регуляторов транскрипции, которые относятся к факторам транскрипции. Функция факторов транскрипции регулируется посредством фосфорилирования, взаимодействия с клеточными белками, метаболитами и другими регуляторными компонентами клетки. При связывании с лигандом рецепторы образуют гетеродимеры (с гомологичными клеточными белками) или гомодимеры. Олигомеризация рецепторов с биологически активными веществами играет регуляторную роль. По структуре и механизму действия такие рецепторы весьма сходны, отчасти потому, что состоят из трех относительно независимых доменов. С-концевой рецепторный домен одновременно выполняет ингибирующую функцию: в его отсутствие оставшаяся часть молекулы может почти столь же эффективно активировать транскрипцию, как и комплекс гормон--рецептор. Связывание гормона с рецептором, видимо, устраняет ингибирующее влияние рецепторного домена. Центральный домен взаимодействует с определенными участками ДНК -- гормон-чувствительными регуляторными элементами, которые стимулируют или тормозят транскрипцию соседних генов. Гормон-чувствительные регуляторные элементы ДНК специфичны по отношению к определенным рецепторам: например, во всех генах, транскрипция которых регулируется глюкокортикоидами, последовательность нуклеотидов в этих регуляторных элементах почти одинакова. Функция N-концевого домена менее изучена. В его отсутствие регулирующее действие гормон-рецепторного комплекса на транскрипцию ослабевает. Каждый из трех доменов функционирует в значительной степени независимо от двух других. Наглядный пример тому -- химерные рецепторы. Их гормонсвязывающая и регуляторная активность такая же, как и у рецепторов, от которых был взят соответствующий домен.

рецептор мембранный ферментативный внутриклеточный

Литература

1. Биохимия: Учеб. Для вузов, Под ред. Е.С. Северина, 2003. 779с.

2. И.В. Березин, Ю.В. Савин «Основы биохимии» Уч. Пособие.1990. 256с.

3. Клиническая фармакология по Гудману и Гилману т.1. Редактор: проф. А.Г. Гилман Изд.: Практика, 2006г.

4. Ю.Б. Филлипович «Основы биохимии» 1990.

Размещено на Allbest.ru