Александров Ю.И., Анохин К.В. - Нейрон. Обработка сигналов. Пластичность. Моделирование_ Фундаментальное руководство (2008)

G-белки подразделяют на пять основных групп по структуре и мишеням их α-субъединиц:

—Gs стимулирует аденилатциклазу (гуанилатциклазу);

—Gi ингибирует аденилатциклазу (гуанилатциклазу);

—Gq/11 (èëè Gq) связывается с фосфолипазой С;

—Go ингибирует потенциалзависимые Са2+- è Ê+-каналы;

—G12/13 не участвует в процессах внутриклеточной сигнализации, имеющих отношение к непрямой синаптической передаче.

Семейство Gi-белков включает Gt (трансдуцин), который активирует фосфодиэстеразу цГМФ в фоторецепторах сетчатки, G-белок густодуцин (передатчик вкуса), который активирует фосфодиэстеразу цАМФ

âмембранах вкусовых рецепторных клеток, а также две изоформы Gî, которые связываются с ионными каналами. Каждый G-белок может взаимодействовать с несколькими эффекторами, а разные G-белки могут модулировать активность одних и тех же ионных каналов.

Ðèñ. 5.5. Активация метаботропного рецептора при связывании с агонистом вызывает замену ГДФ на ГТФ на α-субъединице. Это приводит к диссоциации субъединиц и активации α-субъединицы и βγ–комплекса, которые независимо взаимодействуют с различными белками-мишенями. Гидролиз ГТФ α-субъеди- ницы до ГДФ приводит к обратному связыванию всех трех субъединиц в неактивный комплекс.

Âнеактивированном состоянии гуанозиндифосфат (ГДФ) связан

ñα-субъединицей, и все три субъединицы объединены в тример. При взаимодействии с активированным мембранным рецептором ГДФ на α-субъединице замещается на гуанозинтрифосфат (ГТФ), что приводит

100

к диссоциации α- и βγ-субъединиц (в физиологических условиях β- и γ-субъединицы остаются связанными) (рис. 5.5). Отдельные α- и βγ-субъединицы связываются с белками-мишенями и модулируют их активность. Свободная α-субъединица обладает ГТФазной активностью, вызывая гидролиз ГТФ с образованием ГДФ. В результате α- и βγ-субъе- диницы вновь связываются, что приводит к прекращению их активности. Время жизни активированных субъединиц G-белка модулируется белками, активирующими ГТФазную активность α-субъединицы.

G-белки регулируют несколько K+-, Na+- è Ca2+-каналов, взаимодействуя с несколькими десятками различных рецепторов. G-белки опосредуют взаимодействие рецепторов с ионными каналами либо напрямую, либо с вовлечением вторичных посредников.

5.3.1.Прямая модуляция активности ионных каналов G-белками

При активации мускаринового ацетилхолинового рецептора в кардиомиоцитах происходит диссоциация G-белка. βγ-субъединица напрямую связывается с K+-каналом и открывает его, в результате чего выходящий ток катионов вызывает гиперполяризацию клетки (рис. 5.6). В специальных экспериментах методом локальной фиксации пэтч-кламп (англ., patch clamp) на кардимиоцитах показано, что при аппликации βγ-субъедини- цы с внутренней стороны мембраны происходит открытие K+-канала.

Ðèñ. 5.6. Прямое взаимодействие G-белков и ионных каналов. При активации ацетилхолином (АХ) мускаринового ацетилхолинового рецептора (mAChR) происходит диссоциация G-белка. βγ-субъединица напрямую открывает K+-каналы.

101

Ðèñ. 5.7. Прямое взаимодействие G-белков и ионных каналов. Выделяясь из аксонной терминали, норадреналин (NE) связывается с пресинаптическими ауторецепторами. В результате диссоциации G-белка βγ-субъединица напрямую действует на Ca2+-канал N-типа, снижая вероятность его открытия.

Прямое взаимодействие G-белков и ионных каналов показано в механизме ауторегуляции выделения норадреналина из нейронов симпатического ганглия лягушки. Выделяясь из аксонной терминали, норадреналин связывается со специальными пресинаптическими ауторецепторами. В результате диссоциации G-белка βγ-субъединица напрямую действует на Ca2+-канал N-типа, снижая вероятность его открытия (рис. 5.7). Уменьшение Ca2+-тока в пресинаптическую терминаль приводит к уменьшению выделения медиатора.

5.3.2. Активация G-белками внутриклеточных метаболических каскадов

Общая схема внутриклеточных метаболических каскадов с участием G-белков состоит из следующих этапов (табл. 5.3):

1)В результате активации рецептора ГДФ на α-субъединице G-белка (передатчик) замещается на ГТФ, что приводит к диссоциации α- и βγ-субъединиц.

2)Различные типы активированной α-субъединицы взаимодействуют с рядом первичных эффекторов — ферментов (циклазы, фосфолипазы и др.). В результате взаимодействия α-субъединица может либо активировать ферменты, что приводит к синтезу вторичных по-

102

3)Вторичные посредники активируют различные белки-мишени (вторичные эффекторы) — протеинкиназы, липоксигеназы и др., воздействуя на их регуляторные субъединицы.

4)Каталические субъединицы различных белков-мишеней вызывают дальнейшие эффекты. Например, протеинкиназы фосфорилируют канальные белки, что приводит к открытию ионных каналов.

5)Посредники следующего уровня либо активируют различные третичные эффекторы, либо влияют на ионную проводимость в мембранах, в том числе и в мембранах клеточных органелл.

Следующие примеры демонстрируют метаболические пути внутриклеточной сигнализации с участием некоторых вторичных посредников.

5.3.2.1. Активация Са2+-каналов β-адренорецепторами

Методом регистрации одиночных каналов (пэтч кламп) в кардимиоцитах показано, что при стимуляции β-адренорецепторов норадреналином увеличивается активность кальциевых каналов. Это приводит к учащению сердцебиения и усилению сокращения сердечной мышцы.

103

Связывание норадреналина с β-адренорецептором приводит к активации Gs-белка, в результате чего последний диссоциируется на α- и βγсубъединицы (рис. 5.8). Обе субъединицы связываются с аденилатциклазой, активируя ее. Аденилатциклаза превращает АТФ в цАМФ, который в свою очередь активирует цАМФ-зависимую протеинкиназу. Протеинкиназа переносит фосфат с АТФ на потенциал-зависимые Са2+- каналы, модулируя их активность. Модуляция заключается в возможности активации Са2+-канала при деполяризации мембраны внешним сигналом. Потенциал-зависимый Са2+-канал в фосфорилированном состоянии приобретает свойство такой активации. Дефосфорилирование канала протеинфосфатазой переводит его в неактивное состояние.

Ðèñ. 5.8. Регуляция адренорецептором состояния Са2+-каналов в кардиомиоцитах. Связывание норадреналина (NE) с β-адренорецептором приводит к активации Gs-белка, который диссоциируется на α- и βγ-субъединицы. Обе субъединицы связываются с аденилатциклазой, активируя ее. Аденилатциклаза продуцирует цАМФ, которая активирует цАМФ-зависимую протеинкиназу. Протеинкиназа фосфорилирует потенциал-зависимые Са2+-каналы, устраняя их инактивацию.

104

5.3.2.2. Активация фосфолипазы C

Некоторые медиаторы (например, норадреналин) через G-белки активируют цепи внутриклеточной сигнализации с участием внутриклеточных липидов в роли вторичных посредников. Связывание норадреналина с рецептором активирует G-белок, что приводит к активации фосфолипазы С (рис. 5.9). Этот фермент гидролизует мембранный липид фосфатидилинозитол 4,5-дифосфат с образованием двух вторичных посредников — инозитол 1,4,5-трифосфата (ИФ3) и диацилглицерола (ДАГ). ИФ3 из мембраны проникает в цитоплазму и вызывает высвобождение Са2+ из внутриклеточных цистерн эндоплазматического ретикулума.

Ðèñ. 5.9. Норадреналин (NE) активирует цепи внутриклеточной сигнализации с участием внутриклеточных липидов в роли вторичных посредников. Норадреналин, связываясь с рецептором, через G-белок активирует фосфолипазу С, которая гидролизует фосфатидилинозитол 4,5-дифосфат (ФИФ2) с образованием двух вторичных посредников — ИФ3 è ÄÀÃ. ÈÔ3, связываясь со своими рецепторами на мембранах эндоплазматического ретикулума, вызывает высвобождение Са2+ из внутриклеточных депо в цитоплазму. Увеличение концентрации внутриклеточного Са2+ активирует протеинкиназу С. ДАГ также активирует протеинкиназу С.

Увеличение концентрации внутриклеточного Са2+ способствует активации протеинкиназы С. ДАГ из-за липофильных свойств остается

105

на внутренней стороне клеточной мембраны, где также активирует протеинкиназу С. Протеинкиназа С фосфорилирует ряд внутриклеточ- ных белков, которые в конечном итоге приводят к уменьшению Са2+- тока в нейронах.

5.3.2.3. Активации фосфолипазы А2

Некоторые нейропептиды через G-белки активируют фосфолипазу А2, которая из мембранных липидов синтезирует арахидоновую кислоту (рис. 5.10). Арахидоновая кислота действует на ионные каналы, активируя протеинкиназу С. Рядом ферментов (липоксигеназ, циклооксигеназ) арахидоновая кислота преобразуется в несколько своих производных — лейкотриены и две HPETE (Hydro-Peroxy-Eikoba-Tetra-Enoic Acid), которые являются третичными посредниками. Эти производные оказывают специфические физиологические эффекты. Например, 12-HPETE связывается с К+-каналами, увеличивая вероятность их открытия.

Ðèñ. 5.10. Некоторые нейропептиды (например, FMRFamide) через G-белки активируют фосфолипазу А2, которая из мембранных липидов синтезирует арахидоновую кислоту. Рядом ферментов арахидоновая кислота преобразуется в несколько своих производных, например, в 12-HPETE, который является третичным посредником. 12-HPETE связывается с К+-каналами, увеличивая вероятность (рî) их открытия.

106

5.3.3. Сигнализация через NO и СО

Оксид азота (NO) в нейронах образуется из аргинина под действием фермента NO-синтазы. NO впервые был описан как регулятор кровяного давления. В эндотелиальных клетках сосудов NO-синтаза активируется комплексом Са2+/калмодулин (Са2+ выполняет роль вторичного посредника). Синтезированный NO диффундирует в гладкомышечные клетки и активирует гуанилатциклазу, что приводит к синтезу цГМФ. В свою очередь цГМФ активирует цГМФ-зависимую протеинкиназу. Фосфорилирование белков приводит к открытию К+-каналов, а также к запуску Са2+-насосов, что приводит к гиперполяризации мышечных клеток

èих расслаблению.

Âмозге NO-синтаза активируется также комплексом Са2+/калмодулин, при этом Са2+ поступает в цитоплазму нейрона через активированные NMDA-рецепторы. Основным эффектом NO в нейронах является активация гуанилатциклазы, что в конечном итоге приводит к разнообразным синаптическим взаимодействиям.

Свойства моноокисида углерода (CO) схожи со свойствами NO. СО продуцируется в эндотелиальных клетках кровеносных сосудов оксигеназой гемма, которая активируется при фосфорилировании протеинкиназой С. Так же, как и NO, легко растворимый в воде и липидах, СО диффундирует в ближайшие гладкомышечные клетки и стимулирует образование цГМФ, что приводит к расслаблению гладкомышечных клеток. В мозге обнаружена специфическая форма оксигеназы гемма, что предполагает участие СО в сигнализации нейронов в нервной системе.

5.3.4. Ñà2+ как вторичный посредник

Ñà2+ поступает в цитоплазму клетки по разным путям: через лиганд- и потенциал активируемые каналы как из внеклеточной среды, так и из внутриклеточных органелл с участием ИФ3. Эффекты Са2+ как вторичного посредника многообразны (рис. 5.11). Внутриклеточ- ный Са2+ регулирует К+- è Cl--каналы, а также активность связанных с мембраной фосфолипаз С и А2. В цитоплазме Са2+ активирует три основных мишени: протеинкиназу С, калмодулин и Са2+-зависимую протеазу (кальпаин). Комплекс Са2+/калмодулин активирует Са2+/ калмодулин-зависимую протеинкиназу, аденилатциклазу, фосфодиэстеразу циклических нуклеотидов, протеин фосфатазу (кальцинейрин) и NO-синтазу.

107

Ðèñ. 5.11. Ñà2+ как вторичный посредник. Внутриклеточный Са2+ регулирует Са2+-зависимые К+- è Cl–-каналы и активность фосфолипаз С и А2. В цитоплазме Са2+ активирует протеинкиназу С, калмодулин и Са2+-зависимую протеазу (кальпаин). Комплекс Са2+/калмодулин активирует Са2+/калмодулин-зависимую протеинкиназу II, аденилатциклазу, фосфордиэстеразу циклических нуклеотидов, протеинфосфатазу (кальцинейрин) и NO-синтазу.

5.3.5. Некоторые киназы, активируемые через системы вторичных посредников

цАМФ-зависимая протеинкиназа (англ., cAMP-dependent protein kinase, PKA) активируется при увеличении концентрации цАМФ. Увеличение концентрации цАМФ может происходить при угнетении ак-

тивности фосфодиэстеразы, которая утилизирует цАМФ.

цГМФ-зависимая протеинкиназа (англ., cGMP-dependent protein kinase, PKG) активируется при увеличении концентрации цГМФ. Увеличение концентрации цГМФ может происходить при угнетении активности фосфодиэстеразы, которая утилизирует цГМФ. Существуют две формы данной киназы: одна (PKG-I) в основном локализована в цитоплазме, другая (PKG-II) прикреплена к плазма-

тической мембране.

Протеинкиназа C (англ., protein kinase C, PKC) активируется в

присутствии Ca2+, ДАГ или фосфолипида фосфатидилхолина.

Ca2+/калмодулин-зависимая протеинкиназа (àíãë., Ca2+/ calmodulin-dependent protein kinase, CaM kinase) регулируется Ca2+/ калмодулин комплексом. Существуют две формы данной киназы: специализированные фосфорилируют миозин, вызывая сокращение мышц; многофункциональные выполняют множественные функции.

108

Тирозинкиназа активируется G-белками. Участвует в каскадах, обеспечивающих передачу внеклеточного сигнала в клеточное ядро, что приводит к экспрессии генов.

Все перечисленные киназы функционируют по единому механизму. Вторичные посредники действуют на регуляторные субъединицы киназ. В результате такого воздействия происходят конформационные изменения в структуре киназы, что приводит к освобождению каталитических субъединиц. Каталитические субъединицы катализируют присоединение ОРО3– к белковым субстратам (фосфорилирование ионных каналов). Фосфорилирование канального белка обычно приводит к открытию ионного канала. Такие эффекты киназ в основном кратковременны, так как протеинфосфатазы быстро дефосфорилируют канальные белки.

5.4. Характеристика медиаторов и мембранных рецепторов

Медиаторы как вещества, обеспечивающие передачу сигнала между нейронами, должны удовлетворять ряду критериев.

Анатомический критерий: вещество должно присутствовать в необходимых количествах в пресинаптических окончаниях нейрона.

Биохимический критерий: в пресинаптическом нейроне должны быть ферментативные системы, синтезирующие вещество, а также системы, удаляющие или инактивирующие это вещество в синаптической щели.

Физиологический критерий: выделение вещества из пресинапти- ческого нейрона при его адекватной стимуляции; идентичность эффектов, вызываемых прямым воздействием вещества на постсинаптическую клетку и адекватной стимуляцией пресинаптического нейрона.

Фармакологический критерий: фармакологические препараты, специфика действия которых известна, вызывают ожидаемые эффекты (изменение синтеза, накопления, высвобождения, инактивации, обратного захвата вещества).

Классификация медиаторов по эффекту, который они оказывают на постсинаптическую мембрану, нецелесообразна, поскольку их функция зависит от типа постсинаптического рецептора. Например, у позвоночных ацетилхолин является возбудительным медиатором в нервномышечной передаче, но проявляет тормозное действие в синапсе между блуждающим нервом и сердечной мышцей (парасимпатическая система). У моллюсков выявлено три типа ацетилхолиновых синапсов с тремя типами рецепторов: два тормозных и один возбуждающий. Тор-

109