17,7:17,7 Передача сигналу
- Page ID
- 6119
Коли гідрофобні хімічні ефекторні молекули, такі як стероїдні гормони, досягають клітини-мішені, вони можуть перетнути гідрофобну мембрану і зв'язуватися з внутрішньоклітинним рецептором, щоб ініціювати відповідь. Коли великі ефекторні молекули (наприклад, білкові гормони) або високополярні гормони (наприклад, адреналін) досягають клітини-мішені, вони не можуть перетнути клітинну мембрану. Замість цього вони зв'язуються з трансмембранними білковими рецепторами на клітинних поверхнях. Конформаційна зміна, ініційована на позаклітинному домені рецептора, індукує подальшу аллостеричну зміну цитоплазматичного домену рецептора. Послідовна серія молекулярних подій потім перетворює інформацію, що доставляється зовнішнім ефектором, у внутрішньоклітинну інформацію, процес, який називається трансдукцією сигналу. Загальний контур подій трансдукції сигналу проілюстрований нижче.
Багато ефектів трансдукції сигналу опосередковані послідовністю, або каскадом фосфорилювання білка, що каталізуються білковими кіназами всередині клітини. Тут ми розглянемо G білково-зв'язані і ферментно-зв'язані рецептори.
Трансдукція сигналу, опосередкованого G-протеїном PKA (протеїнкіназа А)
ГТП-зв'язуючі білки (G-протеїни) транслюють позаклітинні сигнали, індукуючи вироблення другої молекули месенджера в клітині. Коли гормони або інші ефекторні (сигнальні) молекули зв'язуються зі своїми мембранними рецепторами, аллостерична зміна на цитоплазматичному домені рецептора збільшує спорідненість цитоплазматичного домену - рецептора до білків G на внутрішній поверхні плазматичної мембрани. G білки - це тримери, що складаються з\(\alpha \),\(\beta \) і\(\gamma \) субодиниць, вбудованих в цитоплазматичну поверхню чутливих клітинних мембран. Трансдукція сигналу, опосередкована G-білком, проілюстрована в семи кроках, показаних на наступній сторінці.
Рецептор змінює форму при зв'язуванні своєї молекули ефекторного сигналу (етапи 1, 2). У цій конформації рецептор розпізнає і зв'язується з тримером G-білка на цитоплазматичної поверхні плазматичної мембрани (крок 3). При зв'язуванні тримера з рецептором ГТП витісняє ВВП на \(\alpha \)субодиницю G-білка (крок 4).
Після конформаційної зміни \(\alpha \)субодиниця дисоціює від\(\beta \) і\(\gamma \) субодиниць (крок 5). На цій ілюстрації\(\alpha \) GTP-субодиниця тепер може зв'язуватися з трансмембранним ферментом, аденілатциклазою (крок 6). Нарешті, початковий позаклітинний хімічний сигнал перетворюється на внутрішньоклітинну відповідь за участю другої молекули месенджера (крок 7). В даному випадку другий месенджер - цАМФ. Відома реакція боротьби або польоту на адреналін в клітині печінки вищих тварин є хорошим прикладом клітинної реакції CampMediated. Після того, як адреналін зв'язується з його рецепторами, G-білки в свою чергу зв'язуються з цитоплазматичною стороною рецептора, який потім зв'язується з аденілатциклазою. цАМФ зв'язується і активує протеїнкіназу А (ПКА), запускаючи ампліфікаційний каскадний відповідь. Деякі деталі каскаду посилення сигналу, опосередкованого G-протеїном, детально описані на ілюстрації на наступній сторінці.
Після активації аденілатциклази (етапи 1 і 2 на кресленні) синтезується цАМФ і зв'язується з двома з чотирьох субодиниць неактивної ПКА (крок 3). Конформаційна зміна дисоціює тетрамер на дві інертні субодиниці, пов'язані CAMP, та дві активні субодиниці PKA (крок 4). Кожен активний фермент PKA каталізує фосфорилювання та активацію ферменту під назвою фосфорилазакіназа (крок 5).
На етапі 6 фосфорилаза кіназа каталізує фосфорилювання глікогенфосфорилази. Нарешті, в кінці каскаду фосфорилювання нині активна глікогенфосфорилаза каталізує гідролізний глікоген до глюкозо-1-фосфату (крок 7). Це призводить до швидкого вилучення вільної глюкози з клітин печінки в кровообіг. Нагадайте собі про те, як це працює, переглянувши перетворення глюкозо-1 фосфату (G-1-P) у G-6-P при гліколізі та його долю в глюконеогенезі. Звичайно, збільшення циркулюючої глюкози забезпечує енергію для прийняття рішення про боротьбу чи втечу.
317 G-протеїнова активація протеїнкінази А та реакція «бій чи втеча»
Окрім активації ферментів, що розщеплюють глікоген, CAMP-активований PKA опосередковує клітинні реакції на різні ефектори, що призводить до каскаду фосфорилювання, що призводить до
- Активація ферментів, що каталізують синтез глікогену.
- Активація ліпаз, які гідролізують жирні кислоти з тригліцеридів.
- Збірка мікротрубочок.
- Розбирання мікротрубочок.
- Мітогенні ефекти (активація ферментів реплікації).
- Активація транскрипційних факторів збільшення/зменшення експресії генів.
Звичайно, коли клітинна реакція більше не потрібна організму, він повинен припинити вироблення сигнальних молекул (гормону або іншого ефектора). Коли їх рівень падає, ефекторні молекули дисоціюють від своїх рецепторів і реакція припиняється. Це все можливо, тому що прив'язка сигналів до їх рецепторів вільно оборотна! Це анімовано для трансдукції сигналу на основі G-білка в посиланні нижче.
Б. передача сигналу за допомогою PKC
Багато реакцій за участю G-протеїнів починаються з активації інтегральної мембрани аденілатциклази. Інший сигнальний шлях, опосередкований G-білком, породжує інші другі месенджери. Білково-кіназа С (PKC) відіграє головну роль в активації цих інших других посланників і наступних каскадів фосфорилювання, в яких активація всього декількох молекул ферменту в клітині призводить до активації ще багатьох ферментів. Як і PKC, трансдукція сигналу, опосередкована PKC, також підсилює першу молекулярну реакцію клітини на ефектор. Роль G-білків подібна для трансдукції сигналів PKA та PKC. Відповіді можуть включати різні ефекти в різних клітинок..., або навіть в одних і тих же клітинок, використовуючи різні ефекти сигналів. Але, PKC і PKA передачі сигналу відрізняються тим, що активація PKC вимагає додаткового етапу, а також генерації двох внутрішньоклітинних молекул месенджера. Події, що призводять до активації ПКС, проілюстровані нижче.
Ось докладні відомості про кроки, що ведуть до активації PKC. Молекула ефекторного сигналу зв'язується зі своїм рецептором, активуючи інтегральну мембрану фермент фосфоліпази С. Фосфоліпаза С каталізує утворення цитозольного інозитолу трифосфату (IP 3) та мембранного зв'язаного діацилгліцерину (DAG), двох інших внутрішньоклітинних молекул другого месенджера. IP3 взаємодіє з рецепторами на гладкому ендоплазматичному ретикулумі, викликаючи вивільнення секвестрованих іонів Ca ++ в цитоплазму. Нарешті, іони Ca 2+ та DAG активують протеїнкіназу C (PKC), яка потім ініціює каскад ампліфікації фосфорилювання, провідний клітиноспецифічні реакції.
318 G-протеїнова активація протеїнкінази С і фосфоліпази С
Протеїнокіназа С опосередковані ефекти включають:
- Вивільнення нейромедіатора.
- Гормон (гормон росту, лейтінізуючий гормон, тестостерон) секреції, що призводить до росту клітин, поділу та диференціації.
- Гідроліз глікогену, синтез жирів.
Додатково незалежні ефекти фосфоліпази С включають:
- Розпад глікогену печінки.
- Секреція панкреатичної амілази.
- Агрегація тромбоцитів.
PKA та PKC - серин-треонінові кінази, які вони розміщують фосфати на серин або треонін у цільових поліпептидах. Розглянемо тирозинкінази далі.
C. рецептор тирозинкінази опосередкованого сигналу трансдукції
Внутрішньоклітинна активність цих рецепторів знаходиться в цитоплазматичній області самого рецептора. При зв'язуванні з його ефектором рецептор-кіназа каталізує фосфорилювання специфічних амінокислот тирозину в білках-мішенях. Вивчаючи дію фактора росту нервів (NGF) і епідермального фактора росту (EGF) на стимулювання росту і диференціювання нерва і шкіри, Стенлі Коен і Ріта Леві-Монтальчіні виявили рецептор EGF, перший фермент -пов'язана тирозинкіназа..., і отримав Нобелівську премію 1986 року з фізіології чи медицини! Дивіться анімацію трансдукції сигналу рецепторкінази за посиланням нижче (опис наведено в наступних кількох параграфах).
319 Трансдукція сигналу кинази рецепторів
Мономерні мембранні рецепторні кінази димеризуються, коли вони зв'язують ефекторні ліганди, в цей момент сульфгідрильні групи містять білки SH 2 зв'язуються з кожним мономером. Це активує кіназний домен рецептора. Після багаторазового перехресного фосфорилювання мономерів рецепторів білки SH 2 відпадають, дозволяючи рецепторам взаємодіяти з іншими цитоплазматичними білками для продовження шляху відповіді. Характерною відповіддю на сигналізацію EGF і NGF є клітинна проліферація. Не дивно, що мутації, пов'язані з раковими клітинами, часто лежать в сигнальних шляхах, що ведуть до проліферації клітин (зростання і поділу). Гени, що викликають рак, або онкогени, насправді були вперше виявлені у вірусах, але Джей Майкл Бішоп і Гарольд Вармус отримали Нобелівську премію 1964 року з фізіології або медицини за те, що показали, що клітини насправді є походженням ретровірусу курки (вірус саркоми Роза). Онкогени виявляються мутаціями генів для білків у шляхах трансдукції мітогенних сигналів. За звичайних обставин мітогенні хімічні сигнали (наприклад, EGF) зв'язуються зі своїми рецепторами і спонукають клітини-мішені почати ділення.
Прикладом такого шляху трансдукції сигналу є опосередкована Ras активація каскаду фосфорилювання, що веде до MAP (мітоген-активованого білка) кінази, є прикладом такого шляху трансдукції сигналу, який відіграє центральну роль у багатьох сигнальних шляхах рецепторної кінази. Ген Ras був одним з тих, спочатку виявлених як онкоген, мутація якого призводить до неконтрольованого поділу клітин, тобто раку. Активність гена/білка Ras насправді може бути причиною до 30% всіх видів раку!
320 Онкоген РАН, його нормальні мітогенні ефекти та рак
MAP кінази фосфорилює фактори транскрипції та інші ядерні білки, які впливають на активність генів, що призводять до проліферації та диференціації клітин, як показано нижче.
D. Трансдукція сигналу в еволюції
Ми побачили, що трансдукція сигналу зазвичай займає кілька сигнальних молекул, що взаємодіють з декількома рецепторами поверхні клітин, щоб посилити відповідь у каскаді ферментативних реакцій, як правило, фосфорилювання, для активації (або інактивації) цільових білків. Ампліфікаційні каскади можуть приймати єдину реактор-рецепторну взаємодію і збільшувати його дію в клітці на порядки, роблячи системи сигналізації швидкими та високоефективними. Діапазон клітинних і системних (організматичних) реакцій на один і той же хімічний сигнал широкий і складний. Різні типи клітин можуть мати рецептори для одного і того ж ефектора, але реагувати по-різному. Наприклад, адреналін націлений на клітини печінки та кровоносних судин серед інших, з різним впливом на кожну. Як це буває, адреналін також є нейромедіатором. Мабуть, в міру еволюції організмів вони ставали більш складними у відповідь на екологічні імперативи, адаптуючись шляхом кооптування вже існуючих сигнальних систем на службі нових шляхів. Подібно до того, як одна і та ж подія передачі сигналу може призвести до різних шляхів відповіді в різних комірках, еволюція дозволила різним шляхам передачі сигналу вступати в перехресні перешкоди. Це коли два різні шляхи трансдукції сигналу перетинаються в одних і тих же осередках. В одному прикладі цАМФ, вироблений на передньому кінці сигнального шляху PKA, може активувати (або за правильних обставин інгібувати) ферменти в шляху КІНАЗИ MAP. Ці ефекти призводять до зміни рівнів активних або неактивних факторів транскрипції і, отже, можуть модулювати експресію гена за допомогою двох (або більше) сигналів. Ми тільки починаємо розуміти, що менш схоже на лінійне.