Клеточная поверхность: рецепторы, рециклирование мембран и передача сигналов

Асиалогликопротеиновый рецептор

Этот рецептор группы I, называемый также печеночным лектином, связывается с десиалированными гликопротеинами сыворотки и узнает гликопротеины с галактозой или N_ацетилгалактозой на конце. Следует отметить две интересные особенности: 1) рецептор имеет единственный трансмембранный сегмент и является одним из нескольких рецепторов, у которых N_конец обращен в цитоплазму; 2) в растворе детергента этот рецептор находится в виде гексамера, причем множество таких гексамеров встречается и в мембране. Асиалогликопротеиновый рецептор гомологичен рецептору с низким сродством к IgE, который находится на лимфоцитах человека и функция которого неизвестна.

Рецептор для полимерного иммуноглобулина

Этот рецептор связывает иммуноглобулины IgA или IgM из сыворотки и транспортирует их от базолатеральной мембраны к апикальной поверхности гепатоцитов. Во время этого процесса рецептор расщепляется и часть его, связанная с молекулой Ig, высвобождается в желчь гепатоцитов. Таким образом, рецептор используется только один раз и не восстанавливается. Как видно из рис. 9.3, данный рецептор относится к суперсемейству иммуноглобулинов и имеет пять внеклеточных иммуноглобулиноподобных доменов. Показано, что его цитоплазматический домен существен для эндоцитоза.

Трансферриновый рецептор

Этот рецептор участвует в поглощении железа из сыворотки. Рецептор связывается с трансферрином, содержащим два атома железа, интернализуется и остается связанным с апотрансферрином после отсоединения атомов железа в кислых эндоцитозных везикулах. Как и в случае ЛНП-рецептора, концентрирование этого рецептора в окаймленных ямках и его интернализация продолжаются и в отсутствие лиганда. Рецептор представляет собой димер с дисульфидными связями, гликозилированный и ацилированный по меньшей мере по одному остатку цистеина, который был идентифицирован с помощью сайт-специфического мутагенеза. Одна субъединица состоит из 760 остатков, и ее N_конец обращен в цитоплазму. Для интернализации трансферринового рецептора, как и рецепторов ЛНП, IgA и ФРЭ, необходимо наличие цитоплазматического домена. Этот домен содержит несколько сериновых остатков, которые могут быть фосфорилирова-ны» но, как было показано, эти остатки несущественны для интернализации. Тем не менее было установлено, что форболовые эфиры, активирующие протеинкиназу С, уменьшают число трансферриновых рецепторов на поверхности клетки и попутно вызывают их фосфорилирование. Напротив, инсулин и другие митогены способствуют концентрированию рецептора на клеточной поверхности, по-видимому, путем увеличения скорости его экстернализации. Механизм этого явления неизвестен, но полагают, что распределение этого и других рецепторов между плазматической мембраной и внутренними везикулами является важным регуляторным фактором.

4. Слияние мембран

Анализ процессов перемещения мембранных компонентов показывает, что слияние отдельных мембранных структур внутри клетки является весьма распространенным и очень существенным клеточным процессом. Такое слияние должно происходить очень быстро и с высокой избирательностью, без утечки вакуолярного содержимого в цитоплазму. Регуляция процесса должна быть очень тонкой. Например, плазматическая мембрана быстро сливается с периферическими эндоцитозными пузырьками, но не с плазматическими мембранами соседних клеток; с ними она слипается. Каков механизм слияния мембран и как он регулируется? Ответы на эти вопросы пока не получены, но из экспериментов на модельных мембранах установлены минимальные требования к слиянию мембран и показано, что в быстром и избирательном слиянии могут участвовать белки; об этом свидетельствуют результаты работ с использованием белков шиловидных выростов оболочки вирусов животных. Эти исследования показали, что слияние может происходить по крайней мере в два этапа. Во-первых, сливающиеся мембраны должны вступить в тесный контакт. Для этого необходимо преодолеть электростатическое отталкивание и, что наиболее важно, должна произойти дегидратация полярных групп липидных молекул. Во-вторых, в плотно прилегающих друг к другу бислоях должен существовать некий локальный дефект упаковки, чтобы могли реализоваться межмембранные гидрофобные взаимодействия. На каждом из этих этапов могут принимать участие белки, что, вероятно, и происходит in vivo.

4.1 Работы с липидными везикулами

Для опытов использовали две модельные системы: слияние липидных везикул и слияние плоской модельной мембраны с липидными везикулами. За процессом слияния можно следить с помощью светового или электронного микроскопа, но чаще проводят прямой количественный анализ слияния внутренних компартментов или смешивания липидов, образующих везикулы

Пусть одна группа везикул содержит дипиколиновую кислоту, а другая - Tb3 +. При слиянии везикул и смешивании их содержимого эти два реагента быстро образуют сильно флуоресцирующий ТЬ3 + - дипиколинатный комплекс, что и позволяет проводить количественные измерения. За процессом смешивания липидов можно следить, измеряя эффективность переноса энергии электронного возбуждения между флуоресцирующими липидными молекулами, принадлежащими до смешивания разным везикулам. Эти методы позволяют различать агрегацию везикул и их истинное слияние.

Замечательной особенностью однослойных фосфолипидных везикул является то, что самопроизвольно они сливаются с большим трудом. Хотя между противоположными фосфолипидными бислоями существует вандерваальсово взаимодействие, между ними имеется также сильное электростатическое отталкивание, особенно в том случае, когда везикулы содержат отрицательно заряженные фосфолипиды. Например, везикулы, содержащие фосфатидилсерин, не будут агрегировать, поскольку существует значительный энергетический барьер, препятствующий образованию плотного контакта между мембранами, необходимого для образования комплекса. Все фосфолипиды, включая цвиттерионные липиды, связываются с водой, и для того, чтобы два близлежащих бислоя могли вступить в прямой контакт, этот поляризованный водный слой на поверхности липидного бислоя должен быть удален. Дегидратация фосфолипидов требует больших энергетических затрат, и роль агентов, облегчающих слияние мембран, состоит, в частности, в снижении этого энергетического барьера. Некоторые фосфолипиды ги-дратированы в меньшей степени, чем другие, и образуют везикулы, которые сливаются гораздо легче. Например, везикулы, состоящие из фосфатидилэтаноламина / фосфатидилсерина, сливаются эффективнее, чем везикулы из фосфатидилхолина / фосфатидилсерина. Векзикулы, состоящие из фосфатидилэтаноламина, слипаются друг с другом сильнее, чем везикулы из фосфатидилхолина, из-за различий в степени гидратации.

Агенты, облегчающие слияние мембран

1. Кальций. При добавлении Са2+ к везикулам, содержащим анионные липиды, часто происходит их слияние. Если везикулы состоят только из анионных липидов, добавление Са2+ приводит к разрушению везикул; если же анионные липиды смешаны с нейтральными, такими, как фосфатидилэтанола-мин, то происходит слияние. Для этого необходимы высокие концентрации Са2+, который не может быть заменен Mg2+. Са2+ нейтрализует отрицательный поверхностный заряд, создаваемый анионными липидами, и облегчает агрегацию везикул. Кроме того, Са2+ особенно эффективен при образовании мостика между анионными фосфолипидами в близлежащих бислоях благодаря формированию прочного комплекса Саг. Это приводит к дегидратации липидов, т. е. выталкиванию воды из пространства между противоположными бислоями. Mg2 + стабилизирует агрегацию везикул, но обычно не стабилизирует тесный контакт дегидратированных противоположных бислоев, причем эффективность его действия зависит от липидного содержания везикул.

Деформация, происходящая при адгезии везикул, приводит к напряжению в мембранах, которое снимается при слиянии. Слияние облегчается при наличии дефектов упаковки липидного бислоя, возникающих из-за каких-то локальных флуктуации или образующихся на границе раздела фаз в присутствии Са2+. Как правило, четкой корреляции между условиями, приводящими к слиянию везикул, и условиями, облегчающими крупномасштабное разделение фаз липидов, не обнаруживается. Са2 + - индуцируемое слияние часто сопровождается лизисом.

Са2+ способствует также слиянию везикул из анионных липидов с плоскими мембранами. Однако в этом случае необходимым условием является наличие осмотического градиента или на везикуле, или на плоской мембране. По-видимому, слияние стимулируется благодаря дополнительным механическим напряжениям. Высказывалось предположение, что осмотическое набухание является движущей силой слияния мембран in vivo, но пока это не подтверждено экспериментально.

Имеет ли Са +-индуцированное слияние какое-либо физиологическое значение? Часто замечали, что во многих случаях слиянию in vivo предшествует изменение концентрации Са2+ в цитоплазме. Но концентрации Са2 +, требуемые для этого in vitro, гораздо выше физиологических. С другой стороны, отмечалось, что если два липидных бислоя уже тесно контактируют друг с другом, то их сродство к Са2+ очень высоко и образование Са2 +-мостиков между противоположными мембранами может индуцироваться при изменениях концентрации Са2 +, не выходящих за пределы физиологического диапазона.

Образуются ли при слиянии липидных бислоев какие-то промежуточные формы? Этот вопрос широко обсуждался. Рассматривалась возможность существования липидных частиц и небислойных форм. Однако об образовании редко встречающихся короткоживущих промежуточных структур, возникающих при слиянии липидных бислоев, мало что известно.

Полиэтиленгликоль и декстран. Эти агенты используются довольно часто, но охарактеризованы они хуже, чем Са2 +. Обычно считают, что они вызывают дегидратацию везикул, приводящую к их агрегации и слиянию.

Слияние под действием электрических сил. Слияние фосфолипидных везикул, как и клеток, можно индуцировать с помощью коротких электрических импульсов. Под действием высокого напряжения в мембранах образуются поры, что может привести к образованию тесного контакта между липидными бислоями. При наложении сильного электрического поля в мембранах могут также возникнуть долговременные дефекты, которые, по-видимому, облегчают образование гидрофобных контактов между близлежащими липидными бислоями.

Белки и пептиды. Показано, что слиянию везикул способствуют многие растворимые белки и амфифильные пептиды. Во многих случаях этот процесс зависит от рН и протекает только при протонировании соответствующих групп белковой молекулы. Например, в кислых условиях а-лактальбумин подвергается конформационному изменению, приводящему к экспонированию гидрофобной петли, что облегчает связывание с фосфо-липидными везикулами. Это каким-то образом облегчает слияние везикул. Слиянию фосфатидилхолиновых везикул способствуют два амфифильных пептида - мелиттин и 5_гемолизин из S. aureus. Оба они имеют гидрофобный участок, который может связываться с мембранами. Вероятно, благодаря локальному раазрушению бислоя преодолеваются электростатический и гидратационнный барьеры, затрудняющие агрегацию и слияние везикул. Высказывалось предположение, что при необходимости подобные гидрофобные пептиды могут образовываться и in vivo, однако убедительные данные на этот счет отсутствуют. Кроме того, известно, что отдельные участки белковых молекул могут вызывать такой же эффект без расщепления с последующим образованием пептидов.

4.2 Изучение белков, входящих в состав шиловидных структур оболочки вирусов

Конечно, описанная выше способность таких белков, как а-лак-тальбумин, облегчать слияние никак не связана с их физиологической ролью. Однако имеются белки, функция которых состоит именно в ускорении слияния мембран. Это гликопротеины шиловидных структур оболочки вирусов животных. Вирионы этих вирусов имеют бислойную липидную оболочку, с которой связаны вирус-специфические белки, опосредующие слияние вирусов с клеткой. Некоторые вирусы сливаются с плазматической мембраной, другие связываются с рецепторами на плазматической мембране и проникают в клетку путем эндоцитоза. Эти вирусы сливаются с мембраной эндоцитозных пузырьков только после закисления их содержимого.

Белки шипов выполняют две функции: 1) с их помощью вирусная частица прикрепляется к мембране животной клетки, обычно к гликопротеину или гликолипиду: 2) вероятно, они взаимодействуют непосредственно с мембраной клетки-мишени, так что мембраны вируса и клетки-хозяина приходят в тесный контакт и их слияние ускоряется. У некоторых вирусов функции прикрепления и ускорения слияния выполняют разные белки, а у других - один и тот же белок. В качестве примера можно привести В-белок вируса везикулярного стоматита и гемагглютинин вируса гриппа, участвующие в обоих процессах. Каждый из этих белков представляет собой гомотример, состоящий из трех идентичных субъединиц. Белки были очищены и встроены в липосомы, которые приобрели способность как к прикреплению, так и к слиянию. Способность к слиянию в обоих случаях проявлялась только при слабокислых условиях, которые соответствовали значению рН внутри эндоцитозных пузырьков. Эта способность, по-видимому, определялась небольшими сегментами белков, находящимися вблизи N_конца. Синтетический пептид из 25 аминокислотных остатков, соответствующий N_концевой последовательности В-белка вируса везикулярного стоматита, проявляет рН-зависимую гемолитическую активность, сходную с таковой самого вируса. Как соотносится это наблюдение со свойствами G_белка, пока неясно.

Гемагглютинин вируса гриппа - наиболее полно охарактеризован ная гликопротеиновая структура

Этот белок связан с вирусной мембраной с помощью короткого трансмембранного домена на С-конце. Он синтезируется как единая полипептидная цепь, но при созревании претерпевает протеолитическое расщепление с образованием двух полипептидов, HAi и НА2, связанных дисульфидной связью. Участок, отвечающий за слияние, локализован на N_конце НА2. Он соответствует N_концу G_белка вируса везикулярного стоматита.

С помощью рентгеновской кристаллографии была определена трехмерная структура водорастворимого домена гемагглютинина. Этот домен получают с помощью расщепления бромелаином. Он представляет собой трнмер из - субъединиц, напоминает по форме стержень и выступает из мембраны на 135 А. Каждая субъединица имеет а-спиральный «стебель» с глобулярной «верхушкой», которая содержит рецепторыый участок для сиалогликосоединений.

Гидрофобный фузионный пептид спрятан между субъединицами тримера и находится на расстоянии 30 А от поверхности мембраны. Как известно, при низких рН третичная и четвертичная структуры белка необратимо изменяются. При рН 5,0 белок приобретает способность связывать липиды и детергенты и самоагретируется, что позволяет думать об экспонировании гидрофобного домена. По-видимому, это коррелирует с экспонированием фузионного пептида, который теперь может связаться с мембраной-мишенью, способствуя сближению обеих мембран и облегчая их слияние. Были выделены и получены in vitro мутанты с другими рН-оптнмумом и фузноинымн свойствами. Это подтверждает важность контактирования субъединиц при рН-зависимом конформационном изменении структуры белка и роль фузионного пептида. Гемагглютинин ацилирован жирными кислотами, которые, по-видимому, усиливают фузионную активность.

Суммируя все сказанное выше, можно сделать вывод, что, хотя физико-химические механизмы слияния мембран до конца не установлены, очевидно, что специфическое слияние мембран внутри клетки может осуществляться с помощью некоего белокзависимого процесса. Для этого должно произойти специфическое межмембранное взаимодействие, обеспечивающее прикрепление мембран друг к другу, и должен присутствовать мембранный белок, который при необходимости обеспечивает слияние. Для изучения свойств таких белков можно использовать белки, образующие шиловидные структуры вирусных частиц. Но могут применяться и другие модельные системы. Вероятно, семейство таких белков участвует в слиянии мембран как при экзоцитозе, так и при эндоцитозе.

5. Рецепторные системы бактерий обладают некоторыми свойствами, присущими и высшим организмам

Во всех клеточных ответах участвуют системы передачи сигнала, которые преобразуют событие, происходящее вне клетки, - связывание лиганда с рецептором, - в сложный внутриклеточный ответ. Мы рассмотрим системы передачи сигналов у бактерий, а далее суммируем данные по таким системам у животных клеток.

Бактерии реагируют на изменение концентрации различных растворимых веществ в окружающей среде. Свободноплавающие бактерии, например Е. coli, обладают способностью к хемотаксису и при увеличении содержания в среде специфических питательных веществ перемещаются вверх по градиенту их концентрации, к источнику питания. В этом процессе участвуют рецепторы цитоплазматической мембраны, которые связываются с «привлекательным» для бактерии растворенным веществом и индуцируют серию событий в цитоплазме, приводящих к вращению жгутиков. Сходным образом клетки Е. coli реагируют на уменьшение концентрации фосфата или азота, синтезируя белки, которые придают клеткам способность «улавливать» эти компоненты из окружающей среды. В этом процессе также участвуют специфические рецепторы цитоплазматической мембраны.

Такие системы ответа активно изучались в первую очередь с помощью генетических и молекулярно-биологическнх методов. Данные по гомологии аминокислотных последовательностей позволили идентифицировать два семейства белковых рецепторов прокариот.

Рецепторы, участвующие в хемотаксисе и влияющие на вращение жгутиков.

Рецепторы, опосредующие ответы, которые влияют на аппарат транскрипции и активность генов.

Изученные типы рецепторов поражают своим сходством с рецепторами, характерными для клеток высших организмов.

5.1 Рецепторы, ответственные за хемотаксис Е. coli

К этому семейству белков относятся четыре рецептора. Их часто считают продуктами четырех генов - tsr, tar, tap и trg. Например, Wr_белок связывается с аттрактантом серином, а также опосредует хемотаксис в ответ на репеллент лейцин. Наиболее полно изучен рецептор для аспартата, который связывается с аттрактантом аспартатом, а также с мальтозосвяззывающим белком. Все четыре рецептора содержат единственную полипептидную цепь. Данные об их первичной структуре позволяют предположить, что это трансмембранные белки, которые имеют по две пронизывающие мембрану а-спирали. Характер укладки рецептора для аспартата, представленный на рис. 9.12, согласуется с результатами экспериментов по слиянию генов, а также с генетическими и биохимическими данными. Биохимические свойства рецептора для аспартата свидетельствуют о том, что он, по-видимому, представляет собой тетрамер. Все четыре хемотаксических белковых рецептора имеют высококонсервативные С-концевые половины, составляющие цитоплазматические домены; N_концевые части, составляющие периплазматические домены, гораздо менее консервативны.

Рецептор для аспартата выполняет три разные функции.

1. Связывание аспартата, за которое ответствен N_концевой домен, обращенный в периплазму. Белки с укороченным цитоплазматическим доменом тем не менее связываются с аспартатом нормально.

2. Передача сигнала, в которой участвуют аминокислотные остатки трансмембранных спиралей; об этом свидетельствуют результаты замещения лизина в положении 19 на аланин в первой трансмембранной спирали. Полученный мутантный рецептор связывает аспартат, но не индуцирует ответной реакции, что, вероятно, обусловлено изменением конформации белковой молекулы. Показано также, что рецептор может связываться с аспар-татом и с мальтозосвязывающим белком одновременно, при этом ответы усиливают друг друга. Природа конформацнонного изменения в рецепторе, индуцируемого связыванием лиганда, неизвестна, но, по-видимому, это изменение затрагивает значительную часть полипептида. Механизм, с помощью которого рецептор влияет на «мотор», приводящий в движение жгутики, также неизвестен; установлено только, что в нем участвует С-концевой домен рецептора и он может быть связан с фосфорилнрованием одного из других белковых компонентов системы.

3. Адаптация, которая заключается в том, что система способна реагировать на увеличение концентрации лишь непродолжительное время; через несколько минут рецептор десенсибилизуется, т. е. адаптируется к новой концентрации аттрактанта. Но затем рецептор вновь приобретает способность реагировать на дальнейшие изменения концентрации аттрактанта. Частично это связано с метилированием и деметилированием рецептора по нескольким глутаминовым остаткам, расположенным в цитоплазматическом домене. Адаптация отсутствует у рецепторов с укороченным С-концом; эта мутантная форма реагирует на аспартат в течение всего времени, пока последний находится в среде.

В ходе многочисленных экспериментов была продемонстрирована кажущаяся независимость функциональных доменов, расположенных на N- и С-концах белка. Такие белки обладали хемотаксической активностью по отношению к серину. Подобные конструкции наблюдались также у семейства рецепторов пептидных гормонов животных клеток.

Из всего сказанного можно сделать следующие выводы.

Существует семейство трансмембранных рецепторов с родственными последовательностями.

Наличие у рецепторов разных функций предполагает, что у них имеются разные структурные и функциональные домены.

И высшие, и низшие организмы обладают системой передачи сигнала, в которую вовлечены другие цитоплазматические белки, вероятно каким-то образом модифицирующиеся благодаря конформационному изменению, которое претерпевает рецептор при связывании лиганда.

Система адаптируется к сигналу, т. е. может отвечать на него лишь непродолжительное время. Это свойство присуще многим системам клеточного ответа; его называют также десенсибилизацией.

5.2 Рецепторы, участвующие в активации транскрипции

Это второе семейство рецепторов обнаружено у множества бактерий, которые отвечают на сигнал активацией транскрипции отдельных генов. Во всех случаях система имеет два белковых компонента: 1) сенсор, или рецептор, и 2) регулятор. Все рецепторы, по-видимому, имеют сходную структуру. Они содержат две трансмембранные спирали в N_концевой половине молекулы. С-концевые последовательности представителей этого семейства, находящиеся на цитоплазматической стороне мембраны, в значительной степени гомологичны. Регуляторные белки, по-видимому, находятся в цитоплазме в растворимой форме. Вероятно, рецепторы каким-то образом модифицируют эти белки, и затем они прямо или косвенно активируют транскрипцию. Возможно, модификация состоит в фос-форилировании; об этом свидетельствуют данные, полученные при исследовании системы ответа на ограничение концентрации азота.

Рассмотрение семейства бактериальных рецепторов показывает, что на основе одной структурной идеи может быть получено соответствие между самыми разными лигандами и ответами на них. Об этом же свидетельствует и изучение некоторых рецепторов животных клеток. Система передачи сигнала в животных клетках в отличие от бактерий изучена весьма детально.

6. Передача сигналов в животных клетках

Животные клетки реагируют на самые разные вещества, содержащиеся во внешней среде. Первым шагом при этом всегда является связывание лиганда со специфическим рецептором на наружной поверхности плазматической мембраны. Связывание с лигандом инициирует каскад специфических для данных клетки и рецептора событий, которые весьма интенсивно и плодотворно изучаются. Быстрое накопление новых данных в этой области вскоре потребует привлечения новых подходов для их систематизации. Однако наиболее общие проблемы здесь уже вполне ясны, даже при том, что многие детали малоизучены или неизвестны. Мы ознакомимся с этими центральными вопросами и теми связанными с мембранами биохимическими явлениями, которые уже хорошо охарактеризованы.

Страницы: 1, 2, 3, 4