СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ, 2004, том 18, № 4, с. 275-285
= ОБЗОР
УДК 577.352.38
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БЕЛКОВ, УЧАСТВУЮЩИХ В ТРАНСДУКЦИИ ФОТОРЕЦЕПТОРНОГО СИГНАЛА
© 2004 г. Г. Р. Каламкаров, М. А. Островский, Р. Р. Юнусов, Т. Ф. Шевченко
Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН 119991, Москва, ул. Косыгина, д. 4 Поступила в редакцию 15. 06. 04 г.
В статье представлены современные данные о молекулярных процессах, ответственных за преобразование сенсорного сигнала в зрительной клетке. В первой части кратко суммированы представления о работе рецепторов, связывающих О-белки - гормонорецепторах, хеморецепторах и вкусовых рецепторах. Во второй, основной части обзора, подробно описаны структура и молекулярные механизмы взаимодействия родопсина - одного из наиболее изученных О-белок-связывающих ре-цепеторов, с О-белком трасдуцином, родопсинкиназой, арестином. Обсуждаются молекулярные механизмы активации и десенситизации сенсорных процессов с участием О-белков. Развивается представление, согласно которому успехи в понимании структуры, природы функциональных перестроек и молекулярных механизмов взаимодействия ключевых белков фототранс дукции позволяют наметить пути для подобного рода исследований в отношении механизмов сенсорной трансдукции других модальностей на детальном, молекулярном уровне.
Ключевые слова: фоторецепция, фототрансдукция, родопсин.
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ УСИЛЕНИЯ И ДЕСЕНСИТИЗАЦИИ В МЕХАНИЗМАХ СЕНСОРНОЙ, ЭНДОКРИННОЙ И СИНАПТИЧЕСКОЙ РЕЦЕПЦИИ
Как известно, механизмы трансдукции (усиления и десенситизации) в процессах сенсорной, гормональной и синаптической рецепции, за исключением, может быть, механорецепции, в принципе, близки. Рассмотрим кратко механизмы усиления сигнала во всех этих случаях.
1. МЕХАНИЗМЫ РЕЦЕПЦИИ ГОРМОНОВ
Механизмы усиления
Связывание гормона с мускариновыми, холи-нергическими и а- и Р-адренорецепторами приводит к конформационным изменениям в молекуле рецептора, приводящим в конечном счете к связыванию с ним в-белка.
В настоящее время известны третичные структуры достаточно большого числа белков-рецепторов, сопряженных с в-белками. Все рецепторы такого типа представляют собой мембранные белки, состоящие из семи трансмембранных а-спиральных участков ("столбов"), С-кон-цевого пептида, экспонированного в цитоплазму, и К-концевого участка, экспонированного во внеклеточную среду. Трансмембранные столбы соединены между собой гидрофильными "петлями", экспонированными в цитоплазму и внекле-
точное пространство. В неактивном состоянии рецептора С-концевой пептид располагается близко к петлям с цитоплазматической стороны и как бы "закрывает" их. Связывание молекулы гормона с N-концевым участком рецептора с экстраклеточной стороны мембраны приводит к изменению взаиморасположения трасмембранных столбов. Важным следствием этого становится такое изменение конформации рецепторной молекулы, в результате которого С-концевой пептид отходит и освобождает гидрофильные петли, экспонированные в цитоплазму и соединяющие внутриклеточные столбы. Именно с этими петлями и связывается G-белок. Во многих случаях речь идет о петлях между III и IV, а также V и VI столбами. Связывание рецептора с G-белком является первой и необходимой стадией его активации. Дальнейший процесс активации G-белка у всех рецепторных систем одинаков.
Все G-белки представляют собой тримерные структуры, состоящие из a-, ß- и у-субъединиц. В результате связывания сначала происходит замещение молекулы ГДФ на ГТФ на а-субъедини-це G-белка, а затем G-белок диссоциирует на а- и ßY-субъединицы. Свободная а-субъединица в ГТФ-связанной форме связывается с ферментами-мишенями, активируя или ингибируя их. Такими мишенями могут быть аденилатциклаза, фосфодиэстераза или фосфолипаза. В некото-
рых случаях в-белки могут прямо активировать или ингибировать ионные каналы.
Механизмы десенситизации гормонального сигнала
В процессе деактивации ответа на гормон можно выделить два процесса (Lefkowitz, 1998). Первый - это деактивация в-белка, второй - де-сенситизация рецептора. В основе деактивации в-белка лежит реакция гидролиза ГТФ, поскольку его а-субъединица обладает ГТФазной активностью. Таким образом, в-белок приходит в ГДФ-связанное неактивное состояние.
Известно два разных пути десенситизации рецептора. Первый путь осуществляется по механизму обратной связи: в-белок активирует фермент-мишень, что приводит к изменению концентрации низкомолекулярного вторичного посредника, например, циклических нуклеотидов. Изменение концентрации вторичного посредника приводит к активации специфической нуклеотидчувстви-тельной протеинкиназы, которая в свою очередь фосфорилирует С-концевой пептид или цито-плазматические петли рецептора, тем самым предотвращая его взаимодействие с в-белком.
Второй путь десенситизации - двухступенчатый и не зависит от концентрации внутриклеточного посредника. На первом этапе фосфорилиру-ется С-концевой пептид, который отошел от петель на цитоплазматической стороне мембраны. Уже само по себе это фосфорилирование частично предотвращает связывание рецептора с в-бел-ком. На втором этапе с уже фосфорилированным рецептором связывается белок из семейства аре-стинов. Важно, что арестин может связываться только с фосфорилированным белком, при этом конкурируя с в-белком за место связывания с рецептором. Следует отметить, что кинетика процесса десенситизации носит сложный характер: фосфорилирование С-концевого пептида происходит быстро, но ингибирование при этом неполное, последующее же связывание с арестином полностью ингибирует способность рецептора активировать в-белок.
1.1. Механизмы хеморецепции
Процесс активации и десенситизации вкусовых и обонятельных рецепторов происходит примерно так же, как в рецепторах гормонов. Существенным отличием от рецепции гормонов является только то, что внутриклеточные посредники -циклические нуклеотиды - прямо регулируют проводимость специфических ионных каналов.
Последовательность событий здесь такова: молекула пахучего вещества связывается с белком-рецептором, который активирует в-белок по описанному выше механизму. В свою очередь
G-белок активирует аденилатциклазу, следствием чего становится повышение внутриклеточной концентрации цАМФ в обонятельной клетке и ее деполяризация. Удалось идентифицировать специфический G-белок, который экспрессируется только в обонятельном эпителии. Как и в случае рецепции гормонов, в экспериментах in vitro было показано, что высвобождение а-субъединицы обонятельного G-белка приводит к активации аде-нилатциклазы и быстрому увеличению концент-рацити цАМФ в цитоплазме обонятельной клетки (Ronnet, Moon, 2002). Недавно показано, что этот G-белок не является единственным, а существует семейство таких белков, сопрягающих различные обонятельные рецепторы с аденилатцикла-зой (Touhara, 2002).
В отличие от рецепции гормонов, молекулярный механизм десенситизации обонятельных белков-рецепторов неизвестен. Возможно, в будущем такой механизм будет найден.
Молекулярные механизмы вкусовой рецепции для соленого и кислого принципиально отличаются от рецепции сладкого и горького (Kinnamon, Margolskee, 1996). Рецепция соленого и кислого не требует внутриклеточного посредника. Восприятие соленого вкуса опосредуется прямой регуляцией тока натрия, а кислого - высокой концентрацией ионов водорода. В последнем случае протоны прямо блокируют калиевые каналы вкусовой клетки, вызывая ее деполяризацию. В случаях же горького и сладкого рецепция происходит путем активации специфических вкусовых рецепторов, сопряженных c G-белками. Один из таких G-белков идентифицирован и назван, по аналогии с G-белком фоторецепторных клеток -трансдуцином, гаструцином. Ничего определенного в настоящее время о механизмах десенситизации в случае вкусовой рецепции сказать нельзя.
1.2. Механизмы механорецепции
Принципиально иными являются молекулярные механизмы рецепции в слуховых и вестибулярных волосковых клетках. Сенсорным стимулом здесь является отклонение пучка стереоцилий, локализованных на концевой пластинке волосковых клеток.
Установлено, что в отличие от фоторецепторных и обонятельных клеток, которые содержат огромное количество нуклеотидрегулируемых каналов низкой проводимости (порядка 0.1 пСим), механический стимул приводит к открыванию небольшого количества каналов с очень высокой проводимостью (100 пСим) (Sietse et al., 2003). Иными словами, волосковая клетка содержит не более 100 таких высокопроводимых каналов, что на четыре порядка меньше, чем в сенсорных клетках других модальностей.
Таким образом, система восприятия механического стимула не требует механизма вторичных посредников, необходимых для усиления сенсорного сигнала. Трансдукционные каналы в слуховых и вестибулярных волосковых клетках открываются путем механической связи стереоцилий с соответствующими механочувствительными каналами. Предполагается, что актиноподобные нити связывают стереоцилии с высокопроводи-мыми механочувствительными каналами так, что их натяжение в ответ на механический стимул приводит к открыванию каналов и гиперполяризации клетки.
Таким образом, просматриваются общие принципы в механизмах трансдукции сенсорной, эндокринной и синаптической рецепции. Во всех этих случаях принимают участие белок-рецептор, белок из семейства G-белков, передающий сигнал на фермент-мишень, белки, осуществляющие десенситизацю (киназы, фосфорилирующие белок-рецептор) и белки из семейства арестинов.
Зрительный пигмент родопсин является классическим белком-рецептором, типичным представителем большого семейства G-белок-связываю-щих рецепторов. Его принципиальным отличием является то, что вместо сигнальной молекулы (гормон, нейромедиатор, одорант) в этом случае выступает квант света. Если химическое вещество как сигнал взаимодействует с рецепторным сайтом белка-рецептора, локализованным на N-концевой части полипептидной цепи или петель, экспонированных во внеклеточное пространство, то свет поглощается хромофорной группой, находящейся в гидрофобном ядре молекулы родопсина. Иными словами, информационный сигнал в родопсине передае
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.