Трансмембранная передача сигнала

Сигнальными молекулами могут быть неполярные и полярные вещества. Неполярные вещества, например стероидные гормоны, проникают в клетку, проходя через липидный бислой. Полярные сигнальные молекулы в клетку не проникают, но связываются специфическими рецепторами клеточных мембран. Такое взаимодействие вызывает цепь последовательных процессов в самой мембране и внутри клетки. К полярным сигнальным молекулам относят белковые гормоны (например, инсулин, соматотропин, паратгормон), нейромедиаторы (например, ацетилхолин, глицин, ГАМК), факторы роста, цитокины.

Передача сигнала с помощью внутриклеточных рецепторов

Гормоны стероидной природы реализуют свои эффекты, проникая в клетку и связываясь с цитозольными или ядерными рецепторами. Плазматическая мембрана не является для них непреодолимой преградой ввиду их липофильности и небольшой молекулярной массы. Поступив в клетку, стероидные образуют комплекс со специфическим цитозольным рецептором, что приводит к изменению конформации рецептора и снижению сродства к белкам-шаперонам, отделяющимся от комплекса гормон-рецептор. Далее гормон-рецепторный комплекс поступает в ядро, где связывается со специфическими регуляторными элементами ДНК – т.е. с определенными нуклеотидными последовательностями, чувствительными к гормонам (энхансером или сайленсером). Результатом этого взаимодействия является синтез всех видов РНК и как следствие, синтез на рибосомах новых количеств белка.

Эффекты гормонов, которые передают сигнал через внутриклеточные рецепторы, развиваются не сразу, т.к. на протекание матричных биосинтезов (транскрипции и трансляции) требуются часы.

В отличие от стероидных гормоны белково-пептидной природы не способны проникать через клеточную мембрану и потому реализуют свои эффекты через трансдукционные системы, т.е. специальные системы, передающие сигнал снаружи внутрь клетки. Можно выделить 4 основных класса трансдукционных систем:

1) Системы, передающие сигнал при участии G-белков. Последние представляют собой семейство низкомолекулярных мембранных белков, связывающих гуаниловые нуклеотиды. Образовавшийся на поверхности клеточной мембраны гормон-рецепторный комплекс активирует G-белок. Механизм активации заключается в замещении ГДФ, содержащейся в неактивном G-белке, на ГТФ и последующей диссоциации a-субъединицы от ингибиторных bg-субъединиц. После передачи сигнала G-белок возвращается в исходное неактивное состояние вследствие действия ГТФазы, имеющейся у G-белка и гидролизующей ГТФ до ГДФ. Описаны две системы, функционирующие с участием G-белков:

а) трансдукционная система, в которой эффекторным ферментом является аденилатциклаза, катализирующая образование цАМФ. Примерами могут служить системы, включаемые Н₂-гистаминовым рецептором, V₂-рецептором вазопрессина, рецептором глюкагона, b₁- и b₂-адренорецепторами и т.д.

б) трансдукционная система, в которой эффекторным ферментом является фосфолипаза С. Последняя гидролизует мембранный фосфатидилинозитолдифосфат (ФИФ₂) с образованием вторичных посредников: инозитолтрифосфата (ИФ₃) и диацилглицерола (ДАГ). Примерами могут служить системы, включаемые V₁-рецептором вазопрессина, a₁-адренорецептором, рецептором ангиотензина и т.д.

2) Система, в которой эффекторным ферментом является гуанилатциклаза, катализирующая образование цГМФ. Примером может служить система, включаемая рецептором предсердного натрий-уретического пептида.

3) Системы, в которых эффекторным ферментом является тирозинкиназа – фермент, катализирующий фосфорилирование белков-субстратов по остаткам тирозина. Примерами могут служить системы, включаемые рецептором инсулина и различных ростовых факторов: фактора роста нервов, тромбоцитов, эпидермиса и т.д.

4) Системы, в которых рецептор одновременно является ионным каналом. Примером может служить рецептор ГАМК, являющийся одновременно каналом для CI^-, а также никотиновый ацетилхолиновый рецептор одновременно являющийся Na⁺-каналом.

Таким образом, белково-пептидные гормоны внутрь клетки не проникают, но в результате активации соответствующих трансдукционных систем внутри клетки образуются (или поступают извне) химические посредники, которые реализуют функции гормона внутри клетки. Эти посредники получили название вторичных мессенджеров (посредников). При этом в роли первого сигнала рассматривается сам гормон. В настоящее время можно выделить не менее 4 типов вторичных гормональных посредников: 1) циклические нуклеотиды (цАМФ и цГМФ), 2) ионы Са, 3) метаболиты фосфатидилинозитола и 4) циклическая АДФ-рибоза.