Структурно функциональная организация g белков. Строение белков

Общие представления о путях сигнальной трансдукции

Для большинства регуляторных молекул между их связыванием с мембранным рецептором и окончательной реакцией клетки, т.е. изменением ее работы, вклиниваются сложные серии событий - определенные пути передачи сигнала, иначе называемые путями сигнальной трансдукции.

Регуляторные вещества принято подразделять на эндокринные, нейрокринные и паракринные. Эндокринные регуляторы (гормоны) выделяются эндокринными клетками в кровь и переносятся ею к клеткам-мишеням, которые могут находиться в любом месте организма. Нейрокринные регуляторы выделяются нейронами в непосредственной близости от клеток-мишеней. Паракринные вещества освобождаются несколько дальше от мишеней, но все же достаточно близко к ним, чтобы достичь рецепторов. Паракринные вещества секретируются одним типом клеток, а действуют на другой, однако в некоторых случаях регуляторы предназначены тем клеткам, которые их выделили, или соседним клеткам, относящимся к тому же типу. Это называется аутокринной регуляцией.

В ряде случаев последний этап сигнальной трансдукции состоит в фосфорилировании определенных эффекторных белков, что ведет к усилению или угнетению их активности, а это, в свою очередь, определяет необходимую организму клеточную реакцию. Фосфорилирование белков осуществляют протеинкиназы, а дефосфорилирование - протеинфосфатазы.

Изменения протеинкиназной активности происходят в результате связывания регуляторной молекулы (в общем случае называемой лигандом) с ее мембранным рецептором, что запускает каскады событий, некоторые из которых приведены на рисунке (рис. 2-1). Активность различных протеинкиназ регулируется рецептором не прямо, а через вторичные мессенджеры (вторичные посредники), в роли которых выступают, например, циклический АМФ (цAMФ), циклический ГМФ (цГMФ), Са 2+ , инозитол-1,4,5-три- фосфат (IP 3) и диацилглицерол (DAG). При этом связывание лиганда с мембранным рецептором изменяет внутриклеточный уровень вторичного мессенджера, что, в свою очередь, отражается на активности протеинкиназы. Многие регулятор-

ные молекулы влияют на клеточные процессы через пути сигнальной трансдукции с участием гетеротримерных ГТФ-связывающих белков (гетеротримерных G-белков) или мономерных ГТФ-связывающих белков (мономерных G-белков).

Когда молекулы лиганда связываются с мембранными рецепторами, взаимодействующими с гетеротримерными G-белками, происходит переход G-белка в активное состояние путем связывания с ГТФ. Активированный G-белок может затем взаимодействовать со многими эффекторными белками, прежде всего ферментами, такими, как аденилатциклаза, фосфодиэстераза, фосфолипазы С, А 2 и D. Это взаимодействие запускает цепи реакций (рис. 2-1), которые заканчиваются активацией различных протеинкиназ, таких, как протеинкиназа А (ПКА), протеинкиназа G (ПKG), протеинкиназа C (ПИС).

В общих чертах пути сигнальной трансдукции с участием G-белков - протеинкиназ включает следующие этапы.

1.Лиганд связывается с рецептором на мембране клетки.

2.Связанный с лигандом рецептор, взаимодействуя с G-белком, активирует его, и активированный G-белок связывает ГТФ.

3.Активированный G-белок взаимодействует с одним или несколькими следующими соединениями: аденилатциклазой, фосфодиэстеразой, фосфолипазами С, А 2 , D, активируея или ингибируя их.

4.Внутриклеточный уровень одного или нескольких вторичных мессенджеров, таких, как цАМФ, цГМФ, Са 2+ , IP 3 или DAG, возрастает или снижается.

5.Увеличение или уменьшение концентрации вторичного мессенджера влияет на активность одной или нескольких зависимых от него протеинкиназ, таких, как цАМФ-зависимая протеинкиназа (протеинкиназа А), цГМФ-зависимая протеинкиназа (ПКG), кальмодулинзависимая протеинкиназа (КМПК), протеинкиназа С. Изменение концентрации вторичного мессенджера может активировать тот или иной ионный канал.

6.Уровень фосфорилирования фермента или ионного канала изменяется, что влияет на активность ионного канала, обуславливая конечный ответ клетки.

Рис. 2-1. Некоторые каскады событий, реализующиеся в клетке благодаря вторичным посредникам.

Обозначения: * - активированный фермент

Мембранные рецепторы, связанные с G-белками

Мембранные рецепторы, опосредующие агонист-зависимую активацию G-белков, составляют особое семейство белков, в котором 500 с лишним представителей. К нему относятся α- и β-адренергические, мускариновые ацетилхолиновые, серотониновые, аденозиновые, обонятельные рецепторы, родопсин, а также рецепторы большинства пептидных гормонов. Представители семейства рецепторов, связанных с G-белками, имеют семь трансмембранных α-спиралей (рис. 2-2 А), каждая из которых содержит 22-28 преимущественно гидрофобных аминокислотных остатков.

Для некоторых лигандов, например, ацетилхолина, адреналина, норадреналина и серотонина, известны разные подтипы связанных с G-белками рецепторов. Зачастую они различаются сродством к конкурентным агонистам и антагонистам.

Далее представлена (рис. 2-2 Б) молекулярная организация аденилатциклазы - фермента, продуцирующего цАМФ (первый открытый вторичный мессенджер). Регуляторный путь аденилатциклазы считается классическим путем сигнальной трансдукции, обусловленной G-белками.

Аденилатциклаза служит основой позитивного или негативного контроля путей сигнальной трансдукции через G-белки. При позитивном контроле связывание стимулирующего лиганда, например, адреналина, действующего через β-адренергические рецепторы, ведет к активации гетеротримерных G-белков с α-субъединицей типа as («s» означает стимуляцию). Активация Gs-типа G-белков посредством связанного с лигандом рецептора приводит к тому, что его as-субъединица связывает ГТФ, и затем диссоциирует от βγ-димера.

На рисунке 2-2 В показано, как фосфолипаза С расщепляет фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат на инозитол-1,4,5-трифосфат и диацилглицерол. Оба вещества, инозитол-1,4,5-трифосфат и диацилглицерол, относятся к вторичным мессенджерам. IP3, связываясь со специфическими лигандзависимыми Са 2+ -каналами эндоплазматического ретикулума, высвобождает из него Са 2+ , т.е. повышает концентрацию Са 2+ в цитозоле. Диацилглицерол вместе с Са 2+ активирует другой важный класс протеинкиназ - протеинкиназу С.

Затем показана структура некоторых вторичных мессенджеров (рис. 2-2 Г-Е): цАМФ, ГМФ,

цГМФ.

Рис. 2-2. Примеры молекулярной организации некоторых структур, участвующих в путях сигнальной трансдукции.

А - рецептор мембраны клетки, связывающий на внешней поверхности лиганд, а внутри - гетеротримерный G-белок. Б - молекулярная организация аденилатциклазы. В - структура фосфатидилинози- тол-4,5-дифосфата и образованных под действием фосфолипазы С инозитол-1,4,5-трифосфата и диацилглицерола. Г - структура 3",5"-циклического АМФ (активатора протеинкиназы А). Д - структура ГМФ. Е - структура 3",5"-циклического ГМФ (активатора протеинкиназы G)

Гетеротримерные G-белки

Гетеротримерный G-белок состоит из трех субъединиц: α (40 000-45 000 Да), β (около 37 000 Да) и γ (8000-10 000 Да). Сейчас известно около 20 различных генов, кодирующих эти субъединицы, в том числе не менее четырех генов β-субъединиц и примерно семь генов γ-субъединиц млекопитающих. Функция и специфичность G-белка обычно, хотя и не всегда, определяются его α-субъединицей. У большинства G-бел- ков субъединицы β и γ плотно связаны между собой. Некоторые гетеротримерные G-белки и пути трансдукции, в которых они задействованы, перечислены в табл. 2-1.

Гетеротримерные G-белки служат посредниками между рецепторами плазматической мембраны для более 100 внеклеточных регуляторных веществ и внутриклеточными процессами, которые они контролируют. В общих чертах, связывание регуляторного вещества с его рецептором активирует G-белок, а тот либо активирует, либо ингибирует фермент и/или вызывает цепь событий, приводящих к активации определенных ионных каналов.

На рис. 2-3 представлен общий принцип работы гетеротримерных G-белков. В большинстве G-белков α-субъединица представляет собой «рабочий элемент» гетеротримерных G-белков. Активация большинства G-белков приводит к конформационному изменению этой субъединицы. Неактивные G-белки существуют главным образом в форме αβγ-гетеротримеров,

с ГДФ в позициях, связывающих нуклеотид. Взаимодействие гетеротримерных G-белков с присоединившим лиганд рецептором ведет к преобразованию α-субъединицы в активную форму с повышенным сродством к ГТФ и пониженной афинностью его к βγ-комплексу. В результате активированная α-субъединица освобождает ГДФ, присоединяет ГТФ, а затем диссоциирует от βγ-димера. У большинства G-белков диссоциированная α-субъединица затем взаимодействует с эффекторными белками в пути сигнальной трансдукции. Однако у некоторых G-белков освободившийся βγ-димер может быть ответственным за все или некоторые эффекты рецептор-лигандного комплекса.

Работа некоторых ионных каналов модулируется G-белками непосредственно, т.е. без участия вторичных мессенджеров. Например, связывание ацетилхолина с мускариновыми М 2 -рецепторами сердца и некоторых нейронов ведет к активации особого класса К + -каналов. В этом случае связывание ацетилхолина с мускариновым рецептором ведет к активации G-белка. Его активированная α-субъединица затем отделяется от βγ-димера, а βγ-димер напрямую взаимодействует с особым классом К + -каналов, приводя их в открытое состояние. Связывание ацетилхолина с мускариновыми рецепторами, повышающее К+-проводимость пейсмекерных клеток в синоатриальном узле сердца - один из главных механизмов, посредством которого парасимпатические нервы вызывают уменьшение частоты сердечных сокращений.

Рис. 2-3. Принцип работы гетеротримерных ГТФ-связывающих белков (гетеротримерных G-белков).

Таблица 2-1. Некоторые гетеротримерные ГТФ-связывающие белки млекопитающих, классифицированные на основе их α-субъединиц *

* В каждом классе α-субъединиц различают несколько изоформ. Идентифицировано более 20 α-субъединиц.

Мономерные G-белки

Клетки содержат еще одно семейство ГТФсвязывающих белков, которые называют мономерными ГТФ-связывающими белками. Они также известны как G-белки с низкой молекулярной массой или малые G-белки (молекулярная масса 20 000-35 000 Да). В таблице 2-2 перечислены основные подклассы мономерных ГТФсвязывающих белков и некоторые из их свойств. Ras-подобные и Rho-подобные мономерные ГТФ-связывающие белки участвуют в пути сигнальной трансдукции на этапе передачи сигнала от тирозинкиназы, рецептора фактора роста, на внутриклеточные эффекторы. Среди процессов, регулируемых путями сигнальной трансдукции, в которые вовлечены мономерные ГТФсвязывающие белки, можно назвать элонгацию полипептидной цепи в ходе белкового синтеза, пролиферацию и дифференцировку клеток, их злокачественное перерождение, контроль актинового цитоскелета, связь между цитоскелетом

и внеклеточным матриксом, транспорт везикул между различными органеллами и экзоцитозную секрецию.

Мономерные ГТФ-связывающие белки, как и их гетеротримерные аналоги, представляют собой молекулярные переключатели, существующие в двух формах - активированной «включенной» и инактивированной «выключенной» (рис. 2-4 Б). Однако активация и инактивация мономерных ГТФ-связывающих белков требует дополнительных регуляторных белков, которые, насколько известно, не требуются для работы гетеротримерных G-белков. Мономерные G-белки активируются гуанин-нуклеотид-освобождающими белками, а инактивируются ГТФаза-активирующими белками. Таким образом, активация и инактивация мономерных ГТФ-связывающих белков контролируется сигналами, которые изменяют активность гуанин-нуклеотид-освобождающих белков или ГТФаза-активирующих белков скорее, чем путем прямого воздействия на мономерные G-белки.

Рис. 2-4. Принцип работы мономерных ГТФ-связывающих белков (мономерных G-белков).

Таблица 2-2. Подсемейства мономерных ГТФ-связывающих белков и некоторые регулируемые ими внутриклеточные процессы

Механизм работы гетеротримерных G-белков

Неактивные G-белки существуют главным образом в форме αβγ-гетеротримеров, с ГДФ в их позициях, связывающих нуклеотид (рис. 2-5 А). Взаимодействие гетеротримерных G-белков с присоединившим лиганд рецептором ведет к преобразованию α-субъединицы в активную форму, которая имеет повышенное сродством к ГТФ и пониженную афинность его к βγ-комплексу (рис. 2-5 Б). В большинстве гетеротримерных G-белков именно α-субъединица представляет собой структуру, передающую информацию. Активация большинства G-белков приводит к конформационному изменению α-субъединицы.

В результате активированная α-субъединица освобождает ГДФ, присоединяет ГТФ (рис. 2-5 В), а затем диссоциирует от βγ-димера (рис. 2-5 Г). У большинства G-белков диссоциированная α-субъединица сразу взаимодействует с эффекторными белками (Е 1) в пути сигнальной трансдукции (рис. 2-5 Г). Однако у некоторых G-белков освободившийся βγ-димер может быть ответственным за все или за некоторые эффекты рецептор-лигандного комплекса. Затем βγ-димер взаимодействует с эффекторным белком Е 2 (рис. 2-5 Д). Далее показано, что члены RGS семьи G-белка стимулируют гидролиз ГТФ (рис. 2-5 Е). Это инактивирует α-субъединицу и объединяет все субъединицы в αβγ-гетеротример.

Рис. 2-5. Цикл работы гетеротримерного G-белка, запускающего дальнейшую цепь событий с помощью своей α -субъединицы.

Обозначения: R - рецептор, L - лиганд, Е - эффекторный белок

Пути сигнальной трансдукции через гетеротримерные G-белки

На рисунке 2-6 А показаны три лиганда, их рецепторы, связанные с разными G-белками, и их молекулярные мишени. Аденилатциклаза является основой для позитивного или негативного контроля путей сигнальной трансдукции, которые обусловлены G-белками. При позитивном контроле связывание стимулирующего лиганда, например норадреналина, действующего через β- адренергические рецепторы, ведет к активации гетеротримерных G-белков с α-субъединицей типа α S («s» означает стимуляцию). Поэтому такой G-белок называют G-белком G S -типа. Активация G s -типа G-белков посредством связанного с лигандом рецептора приводит к тому, что его α s - субъединица связывает ГТФ и затем диссоциирует от βγ-димера.

Другие регуляторные вещества, такие, как адреналин, действующий через α 2 -рецепторы, или аденозин, действующий через α 1 -рецепторы, или дофамин, действующий через D 2 -рецепторы, участвуют в негативном или ингибирующем контроле аденилатциклазы. Эти регуляторные вещества активируют G i -тип G-белков, которые имеют α-субъединицу типа α i («i» означает ингибирование). Связывание ингибирующего лиганда с его

рецептором активирует G i -тип G-белков и вызывает диссоциацию его α i -субъединицы от βγ-димера. Активированная α i -субъединица связывается с аденилатциклазой и подавляет ее активность. Кроме того, βγ-димеры могут связывать свободные α s -субъединицы. Этим путем связывание βγ-димеров со свободной α s -субъединицей дополнительно подавляет стимуляцию аденилатциклазы, блокируя действие стимулирующих лигандов.

Еще один класс внеклеточных агонистов (рис. 2-6 А) связывается с рецепторами, которые активируют посредством G-белка, называемого G q , β-изоформу фосфолипазы С. Она расщепляет фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат (фосфолипид, в малых количествах присутствующий в плазматической мембране) на инозитол-1,4,5- трифосфат и диацилглицерол, которые относятся ко вторичным мессенджерам. IP 3 , связываясь со специфичными лигандзависимыми Са 2+ -каналами эндоплазматического ретикулума, высвобождает из него Са 2+ , т.е. повышает концентрацию Са 2+ в цитозоле. Са 2+ -каналы эндоплазматического ретикулума вовлечены в электромеханическое сопряжение в скелетной и сердечной мышце. Диацилглицерол вместе с Са 2+ активирует протеинкиназу С. К ее субстратам относятся, например, белки, участвующие в регуляции клеточного деления.

Рис. 2-6. Примеры путей сигнальной трансдукции через гетеротримерные G-белки.

А - в трех приведенных примерах связывание нейротрансмиттера с рецептором ведет к активации G-белка и последующему включению путей вторичных мессенджеров. G s , G q , и G i подразумевают три различных типа гетеротримерных G-белков. Б - регуляция клеточных белков фосфорилированием ведет к усилению или угнетению их активности, а это, в свою очередь, определяет необходимую организму клеточную реакцию. Фосфорилирование белков осуществляют протеинкиназы, а дефосфорилирование - протеинфосфатазы. Протеинкиназа переносит фосфатную группу (Pi) от АТФ на сериновые, треониновые или тирозиновые остатки белков. Это фосфорилирование обратимо меняет структуру и функции клеточных белков. Оба типа ферментов - киназы и фосфатазы - регулируются различными внутриклеточными вторичными мессенджерами

Пути активации внутриклеточных протеинкиназ

Взаимодействие гетеротримерных G-белков с присоединившим лиганд рецептором ведет к преобразованию α-субъединицы в активную форму, которая имеет повышенное сродство к ГТФ и пониженную афинность его к βγ-комплексу. Активация большинства G-белков приводит к конформационному изменению α-субъединицы, которая освобождает ГДФ, присоединяет ГТФ, а затем диссоциирует от βγ-димера. Далее диссоциированная α-субъединица взаимодействует с эффекторными белками в пути сигнальной трансдукции.

На рисунке 2-7 А продемонстрирована активация гетеротримерных G-белков G s -типа с α-субъединицей типа α s , которая происходит благодаря связыванию с лигандом рецептора и приводит к тому, что α s -субъединица G-белков G s -типа связывает ГТФ и затем диссоциирует от βγ-димера, а далее взаимодействует с аденилатциклазой. Это приводит к повышению уровня цАМФ и активации ПКА.

На рисунке 2-7 Б продемонстрирована активация гетеротримерных G-белков G t -типа с α-субъединицей типа α t , которая происходит благодаря связыванию с лигандом рецептора и приводит к тому, что α t -субъединица G-белков G t -типа активируется и затем диссоциирует от βγ-димера, а далее взаимодействует с фосфодиэстеразой. Это приводит к повышению уровня цГМФ и активации ПKG.

Рецептор катехоламинов α 1 взаимодействует с G αq -субъединицей, активирующей фосфолипазу С. На рисунке 2-7 В продемонстрирована активация гетеротримерных G-белков G αq -типа с α-субъединицей типа α q , которая происходит благодаря связыванию лиганда с рецептором и приводит к тому, что α q -субъединица G-белков G αq -типа активируется и затем диссоциирует от βγ-димера, а далее взаимодействует с фосфолипазой С. Она расщепляет фосфатидилинози- тол-4,5-дифосфат на IP 3 и DAG. Это приводит к повышению уровня IP 3 и DAG. IP 3 , связываясь со специфичными лигандзависимыми Са 2+ - каналами эндоплазматического ретикулума,

высвобождает из него Са 2+ . DAG вызывает активацию протеинкиназы С. В нестимулированной клетке значительное количество этого фермента находится в цитозоле в неактивной форме. Са 2+ заставляет протеинкиназу С связываться с внутренней поверхностью плазматической мембраны. Здесь фермент может активироваться диацилглицеролом, который образуется при гидролизе фосфатидилинозитол-4,5-дифосфата. Мембранный фосфатидилсерин также может быть активатором протеинкиназы С, если фермент находится в мембране.

Описано около 10 изоформ протеинкиназы С. Хотя некоторые из них присутствуют во многих клетках млекопитающих, однако подтипы γ и ε обнаружены, главным образом, в клетках центральной нервной системы. Подтипы протеинкиназы С различаются не только распределением по организму, но, по-видимому, и механизмами регуляции своей активности. Некоторые из них в нестимулированных клетках связаны с плазматической мембраной, т.е. не требуют для активации увеличения концентрации Са 2+ . Некоторые изоформы протеинкиназы С активируются арахидоновой кислотой или другими ненасыщенными жирными кислотами.

Первоначальная кратковременная активация протеинкиназы С происходит под действием диацилглицерола, который освобождается, когда фосфолипаза С β активируется, а также под влиянием Са 2+ , освобожденного из внутриклеточных хранилищ с помощью IP 3 . Долго длящаяся активация протеинкиназы С запускается рецептор-зависимыми фосфолипазами А 2 и D. Они действуют первично на фосфатидилхолин - основной мембранный фосфолипид. Фосфолипаза А 2 отделяет от него жирную кислоту во втором положении (обычно ненасыщенную) и лизофосфатидилхолин. Оба эти продукта активируют определенные изоформы протеинкиназы С. Рецептор-зависимая фосфолипаза D расщепляет фосфатидилхолин таким образом, что образуется фосфатидная кислота и холин. Фосфатидная кислота далее расщепляется до диацилглицерола, участвующего в долговременной стимуляции протеинкиназы С.

Рис. 2-7. Основные принципы активации протеинкиназы А, протеинкиназы G и протеинкиназы С.

Обозначения: R - рецептор, L - лиганд

цAMФ-зависимая протеинкиназа (протеинкиназа А) и связанные с ней сигнальные пути

В отсутствии цАМФ, цАМФ-зависимая протеинкиназа (протеинкиназа А) состоят из четырех субъединиц: двух регуляторных и двух каталитических. У большинства типов клеток каталитическая субъединица одна и та же, а регуляторные субъединицы высокоспецифичны. Присутствие регуляторных субъединиц почти полностью подавляет ферментативную активность комплекса. Таким образом, активация ферментативной активности цАМФ-зависимой протеинкиназы должна вовлекать отделение регуляторных субъединиц от комплекса.

Активация происходит в присутствии микромолярных концентраций цАМФ. Каждая регуляторная субъединица связывает две его молекулы. Связывание цАМФ индуцирует конформационные изменения в регуляторных субъединицах и снижает аффинность их взаимодействия с каталитическими субъединицами. В результате этого регуляторные субъединицы отделяются от каталитических, и каталитические субъединицы становятся активированными. Активная каталитическая субъединица фосфорилирует белкимишени по определенным сериновым и треониновым остаткам.

Сравнение аминокислотных последовательностей цАМФ-зависимой и других классов протеинкиназ показывает, что, несмотря на сильные различия в их регуляторных свойствах, все эти ферменты высокогомологичны по первичной структуре срединной части. Эта часть содержит АТФ-связывающий домен и активный центр фермента, обеспечивающий перенос фосфата с АТФ на белок-акцептор. Участки киназ за пределами этой каталитической срединной части белка участвуют в регуляции киназной активности.

Определена также кристаллическая структура каталитической субъединицы цАМФ-зависимой протеинкиназы. Каталитическая средняя часть молекулы, имеющаяся у всех известных протеинкиназ, состоит из двух долей. Меньшая из них содержит необычный АТФ-связывающий участок, а большая доля содержит участок связывания пептида. Многие протеинкиназы содержат также регуляторный участок, известный как псевдосубстратный домен. По аминокислотной последовательности он напоминает фосфорилируемые участки субстратных белков. Псевдосубстратный домен, связываясь с активным центром протеинкиназы, ингибирует фосфорилирование истинных субстратов протеинкиназы. Активация киназы может включать фосфорилирование или нековалентную аллостерическую модификацию протеинкиназы для устранения ингибирующего действия псевдосубстратного домена.

Рис. 2-8. цAMФ-зависимая протеинкиназа А и мишени.

Когда адреналин связывается с соответствующим рецептором, активация α s -субъединицы стимулирует аденилатциклазу с увеличением уровня цАМФ. цАМФ активирует протеинкиназу А, которая путем фосфорилирования дает три основных эффекта. (1) Протеинкиназа А активирует киназу фосфорилазы гликогена, которая фосфорилирует и активирует фосфорилазу гликогена. (2) Протеинкиназа А инактивирует гликогенсинтазу и таким образом уменьшает образование гликогена. (3) Протеинкиназа А активирует ингибитор фосфопротеин-фосфатазы-1 и тем самым ингибирует фосфатазу. Эффект в целом заключается в координации изменений уровня глюкозы.

Обозначения: УДФ-глюкоза - уридиндифосфатглюкоза

Гормональная регуляция активности аденилатциклазы

На рисунке 2-9 А представлен принципиальный механизм индуцированной гормонами стимуляции и ингибирования аденилатциклазы. Взаимодействие лиганда с рецептором, связанным с α-субъединицей типа α s (стимулирующая), вызывает активацию аденилатциклазы, тогда как взаимодействие лиганда с рецептором), связанным с α-субъединицей типа α i (ингибирующая), вызывает ингибирование фермента. G βγ -субъединица и в стимулирующих, и в ингибирующих G-белках идентична. G α -субъединицы и рецепторы различны. Лиганд-стимулирован-ное образование активных G α ГТФ комплексов происходит с помощью одинаковых механизмов в обоих G αs ,- и G αi -протеинах. Однако G αs ГТФ и G αi ГТФ по-разному взаимодействуют с аденилатциклазой. Одна (G αs ГТФ) стимулирует, а другая G αi ГТФ) ингибирует ее каталитическую активность.

На рисунке 2-9 Б представлен механизм индуцированной определенными гормонами активации и ингибирования аденилатциклазы. β 1 -, β 2 - и D 1 -рецепторы взаимодействуют с субъединицами, которые активируют аденилатциклазу и повышают уровень цАМФ. α 2 -и D 2 -рецепторы взаимодействуют с G αi субъединицами, которые ингибируют аденилатциклазу. (Что касается α 1 -рецептора, то он взаимодействует с G -субъединицей, которая активирует фосфолипазу С.) Рассмотрим один из примеров, представленных на рисунке. Адреналин связывается с β 1 -рецептором, что приводит к активации G αs -белка, который стимулирует аденилатциклазу. Это приводит к увеличению внутриклеточного уровня цАМФ, и, таким образом, усиливает активность ПКА. С другой стороны, норадреналин связывается с α 2 -рецептором, что приводит к активации G αi -белка, который ингибирует аденилатциклазу и тем самым снижает внутриклеточный уровень цАМФ, уменьшая активность ПКА.

Рис. 2-9. Индуцированная лигандами (гормонами) активация и ингибирование аденилатциклазы.

А - принципиальный механизм. Б - механизм применительно к конкретным гормонам

Протеинкиназа С и связанные с ней сигнальные пути

Рецептор α 1 взаимодействует с G αq -субъединицей G-белка, которая активирует фосфолипазу С. Фосфолипаза С расщепляет фосфатидилинози- тол-4,5-дифосфат на IP 3 и DAG. IP 3 , связываясь со специфичными лиганд-зависимыми Са 2+ -каналами эндоплазматического ретикулума, высвобождает из него Са 2+ , т.е. повышает концентрацию Са 2+ в цитозоле. DAG вызывает активацию протеинкиназы С. В нестимулированной клетке этот фермент находится в цитозоле в неактивной

форме. Если цитозольный уровень Са 2+ повышается, происходит взаимодействие Са 2+ с протеинкиназой С, что приводит к связыванию протеинкиназы С с внутренней поверхностью клеточной мембраны. В таком положении фермент активируется диацилглицеролом, образующимся при гидролизе фосфатидилинозитол-4,5-дифосфа- та. Мембранный фосфатидилсерин также может быть активатором протеинкиназы С, если фермент находится в мембране.

В таблице 2-3 приведены изоформы протеинкиназы С млекопитающих и свойства этих изоформ.

Таблица 2-3. Свойства изоформ протеинкиназы С млекопитающих

ДАГ - диацилглицерол; ФС - фосфатидилсерин; ФФА - цис-ненасыщенные жирные кислоты; ЛФХ - лизофосфатидилхолин.

Рис. 2-10. Сигнальные пути диацилглицерол / инозитол-1,4,5-трифосфат

Фосфолипазы и связанные с ними сигнальные пути на примере арахидоновой кислоты

Некоторые агонисты посредством G-белков активируют фосфолипазу А 2 , которая действует на мембранные фосфолипиды. Продукты их реакций могут активировать протеинкиназу С. В частности, фосфолипаза A 2 отделяет от фосфолипидов находящуюся во втором положении жирную кислоту. Вследствие того, что некоторые фосфолипиды содержат в этом положении арахидоновую кислоту, вызванное фосфолипазой A 2 , расщепление этих фосфолипидов освобождает значительное ее количество.

Вышеописанный сигнальный путь арахидоновой кислоты, связанный с фосфолипазой А 2 , называют прямым. Непрямой путь активации арахидоновой кислоты связан с фосфолипазой С β .

Арахидоновая кислота сама по себе является эффекторной молекулой, а кроме того, служит предшественником для внутриклеточного синтеза простагландинов, простациклинов, тромбоксанов и лейкотриенов - важных классов регуляторных молекул. Арахидоновая кислота также образуется из продуктов расщепления диацил-глицеролов.

Простагландины, простациклины и тромбоксаны синтезируются из арахидоновой кислоты циклооксигеназно-зависимым путем, а лейкотриены - липоксигеназно-зависимым путем. Один из противовоспалительных эффектов глюкокортикоидов заключается как раз в ингибировании фосфолипазы A 2 , которая освобождает арахидоновую кислоту из фосфолипидов. Ацетилсалициловая кислота (аспирин  ) и другие нестероидные противовоспалительные средства ингибируют окисление арахидоновой кислоты циклооксигеназой.

Рис. 2-11. Сигнальные пути арахидоновой кислоты.

Обозначения: ПГ - простагландин, ЛГ - лейкотриен, ГПЭТЕ - гидропероксиэйкозатетраеноат, ГЭТЕ - гидроксиэйкозатетраеноат, ЭПР - эндоплазматический ретикулум

Кальмодулин: строение и функции

Множество жизненно важных клеточных процессов, включая освобождение нейротрансмиттеров, секрецию гормонов и мышечное сокращение, регулируется цитозольным уровнем Са 2+ . Один из путей влияния этого иона на клеточные процессы заключается в его связывании с кальмодулином.

Кальмодулин - белок с молекулярным весом 16 700 (рис. 2-12 А). Он присутствует во всех клетках, иногда составляя до 1% их общего белкового содержимого. Кальмодулин связывает четыре иона кальция (рис. 2-12 Б и В), после чего этот комплекс регулирует активность различных внутриклеточных белков, многие из которых не относятся к протеинкиназам.

Комплекс Са 2+ c кальмодулином активирует также кальмодулин-зависимые протеинкиназы. Специфический кальмодулин-зависимые протеинкиназы фосфорилируют специфические эффекторные белки, например, регуляторные легкие цепи миозина, фосфорилазу и фактор элонгации II. Мультифункциональные кальмодулин-зависимые протеинкиназы фосфорилируют многочисленные белки ядра, цитоскелета или мембранные белки. Некоторые кальмодулинзависимые протеинкиназы, такие, как киназа

легкой миозиновой цепи и киназа фосфорилазы, действуют только на один клеточный субстрат, тогда как другие полифункциональны и фосфорилируют более чем один субстратный белок.

Кальмодулин-зависимая протеинкиназа II относится к мажорным белкам нервной системы. В некоторых областях головного мозга на нее приходится до 2% общего белка. Эта киназа участвует в механизме, при котором увеличение концентрации Са 2+ в нервном окончании вызывает освобождение нейротрансмиттера по типу экзоцитоза. Ее главным субстратом служит белок под названием синапсин I, присутствующий в нервных окончаниях и связывающийся с наружной поверхностью синаптических везикул. Когда синапсин I связан с везикулами, он предотвращает экзоцитоз. Фосфорилирование синапсина I вызывает его отделение от везикул, позволяя им выбросить нейротрансмиттер в синаптическую щель путем экзоцитоза.

Киназа легких цепей миозина играет важную роль в регуляции сокращения гладких мышц. Повышение цитозольной концентрации Са 2+ в клетках гладких мышц активирует киназу легких цепей миозина. Фосфорилирование регуляторных легких цепей миозина приводит к длительному сокращению гладкомышечных клеток.

Рис. 2-12. Кальмодулин.

А - кальмодулин без кальция. Б - связывание кальция с кальмодулином и пептидной мишенью. В - схема связывания.

Обозначения: EF - Са 2+ -связывающие домены кальмодулина

Рецепторы с собственной ферметативной активностью (каталитические рецепторы)

Гормоны и факторы роста связываются с протеинами поверхности клетки, которые имеют ферментативную активность на цитоплазматической стороне мембраны. На рисунке 2-13 представлены пять классов каталитических рецепторов.

Один из характерных экземпляров трансмембранных рецепторов с гуанилатциклазной активностью, рецептор предсердного натрий-уретического пептида (ANP). Мембранный рецептор, с которым связывается ANP, не зависит от рассмотренных систем сигнальной трансдукции. Выше было описано действие внеклеточных агонистов, которые, связываясь с мембранными рецепторами, либо активируют аденилатциклазу через G s -белки, либо угнетают ее через G i . Мембранные рецепторы для ANP интересны тем, что сами рецепторы обладают гуанилатциклазной активностью, стимулирующейся связыванием ANP с рецептором.

ANP-рецепторы имеют внеклеточный ANP-свя- зывающий домен, единственную трансмембранную спираль и внутриклеточный гуанилатциклазный домен. Связывание ANP с рецептором повышает внутриклеточный уровень цГМФ, что стимулирует цГМФ-зависимую протеинкиназу. В противоположность цАМФ-зависимой протеинкиназе, имеющей регуляторную и каталитическую субъединицы, регуляторные и каталитические домены цГМФ-зависимой протеинкиназы находятся на одной полипептидной цепи. цГМФзависимая киназа затем фосфорилирует внутриклеточные белки, что приводит к различным клеточным ответам.

Рецепторы с серин-треонин-киназной активностью фосфорилируют белки только по остаткам серина и/или треонина.

Еще одно семейство мембранных рецепторов, не сопряженных с G-белками, состоит из белков с собственнойтирозин-протеинкиназнойактивностью. Рецепторами с собственной тирозин-протеинкиназной активностью служат белки с гликозилированным внеклеточным доменом, единственным

трансмембранным участком и внутриклеточным доменом с тирозин-протеинкиназной активностью. Связывание с ними агониста, например фактора роста нервов (NGF), стимулирует тирозин-протеинкиназную активность, что фосфорилирует специфичные белки-эффекторы по определенным тирозиновым остаткам. Большинство рецепторов для факторов роста димеризуются, когда с ними связывается NGF. Именно димеризация рецептора ведет к появлению у него тирозинпротеинкиназной активности. Активированные рецепторы часто фосфорилируют сами себя, что называется аутофосфорилированием.

К надсемейству пептидных рецепторов относят рецепторы инсулина. Это также тирозин-протеинкиназы. В подклассе рецепторов, относящихся к семейству инсулиновых рецепторов, нелигандный рецептор существует как дисульфид-связанный димер. Взаимодействие с инсулином приводит к конформационным изменениям обоих мономеров, что повышает связывание инсулина, активирует рецепторную тирозинкиназу и ведет к увеличению аутофосфорилирования рецептора.

Связывание гормона или фактора роста с его рецептором запускает разнообразные клеточные ответы, включая поступление в цитоплазму Са 2+ , увеличение Na + /H + обмена, стимуляцию захвата аминокислот и сахара, стимуляцию фосфолипазы С β и гидролиз фосфатидилинозитолдифосфата.

Рецепторы гормона роста, пролактина и эритропоэтина, также как рецепторы интерферона и многих цитокинов, непосредственно не служат протеинкиназами. Однако после активации эти рецепторы образуют сигнальные комплексы с внутриклеточными тирозин-протеинкиназами, которые и запускают их внутриклеточные эффекты. Именно потому они не являются истинными рецепторами с собственной тирозин-протеинкиназной активностью, а просто связываются с ними.

На основе структуры можно полагать, что трансмембранные тирозин-протеинфосфатазы также представляют собой рецепторы, а их с тирозин-протеинфосфатазная активность модулируется внеклеточными лигандами.

Рис. 2-13. Каталитические рецепторы.

А - рецептор гуанилциклазы, Б - рецептор с серин-треонин киназной активностью, В - рецептор с собственной тирозин-протеинкиназной активностью, Г - рецепторы, ассоциированные с тирозин-протеинкиназной активностью

Рецептор-связанные тирозинпротеинкиназы на примере рецепторов интерферона

Рецепторы интерферона непосредственно не являются протеинкиназами. После активации эти рецепторы образуют сигнальные комплексы с внутриклеточными тирозин-протеинкиназами, которые и запускают их внутриклеточные эффекты. То есть они не являются истинными рецепторами с собственной тирозин-протеинкиназной активностью, а просто связываются с ними таке рецепторы называются рецептор-связанными (рецептор-зависимыми) тирозин-протеинкиназами.

Механизмы, благодаря которому эти рецепторы оказывают действие, запускаются, когда гормон связывается с рецептором, что вызывает его димеризацию. Рецепторный димер связывает одну или несколько членов Janus -семейства тирозин-протеинкиназ (JAK). JAK затем перекрестно

фосфорилируют друг друга, а также рецептор. Члены семейства преобразователей сигнала и активаторов транскрипции (STAT) связывают фосфорилированные домены на комплексе рецептора и JAK. STAT-белки фосфорилируются JAK-киназами и затем отсоединяются от сигнального комплекса. В конечном итоге фосфорилированные STAT-белки образуют димеры, которые двигаются к ядру, чтобы активировать транскрипцию определенных генов.

Специфичность рецептора для каждого гормона отчасти зависит от специфики членов семейства JAK или STAT, объединяющихся для образования сигнального комплекса. В некоторых случаях сигнальный комплекс также активирует MAP-(митоген-активирующий протеин)-киназный каскад с помощью адапторных белков, используемых рецепторными тирозинкиназами. Некоторые из ответов рецепторных тирозинкиназных лигандов также вовлекают JAK и STAT пути.

Рис. 2-14. Пример каталитических рецепторов, ассоциированных с тирозин-протеинкиназной активностью. Рецептор, активируемый α -интерфероном (А) и γ -интерфероном (Б)

Ras-подобные мономерные G-белки и опосредованные ими пути трансдукции

Лиганд, например фактор роста, связывается с рецептором, обладающим собственной тирозинпротеинкиназной активностью, что приводит к увеличению транскрипции в 10-ступенчатом процессе. Ras-подобные мономерные ГТФ-связывающие белки участвуют в пути сигнальной трансдукции на этапе передачи сигнала от рецепторов с собственной тирозин-протеинкиназной активностью (например, рецепторов фактора роста) на внутриклеточные эффекторы. Активация и инактивация мономерных ГТФ-связывающих белков требуют дополнительных регуляторных белков. Мономерные G-белки активируются гуанин-нуклеотид-освобождающими белками (GNRP), а инактивируются ГТФаза-активирующими белками (GAP).

Мономерные ГТФ-связывающие белки семейства Ras служат посредниками связывания митогенных лигандов и их тирозин-протеинкиназных рецепторов, что запускает внутриклеточные процессы, ведущие к пролиферации клеток. Когда Ras-белки неактивны, клетки не реагируют на факторы роста, действующие через тирозинкиназные рецепторы.

Aктивация Ras запускает путь сигнальной трансдукции, приводящий в конечном итоге к транскрипции определенных генов, способствующих клеточному росту. Каскад MAP-киназы (МАРК) вовлекается в ответы при активации Ras. Протеинкиназа С также активирует каскад MAP- киназы. Таким образом, каскад MAP-киназы оказывается важной точкой конвергенции для разнообразных эффектов, вызывающих клеточную пролиферацию. Более того, здесь наблюдается перекрест между протеинкиназой С и тирозинкиназами. Например γ-изоформа фосфолипазы С активируется путем связывания с активированным Ras-белком. Эта активация передается на протеинкиназу С в процессе стимуляции фосфолипидного гидролиза.

На рисунке 2-15 представлен механизм, включающий 10 ступеней.

1. Связывание лиганда приводит к димеризации рецептора.

2.Активированнаятирозин-протеинкиназа (RTK) фосфорилирует себя.

3.GRB 2 (growth factor receptor-bound protein-2), SH 2 -содержащий протеин, узнает фосфотирозиновые остатки на активированном рецепторе.

4.Связывание GRB 2 включает SOS (son of sevenless) обменный протеин гуаниннуклеотида.

5.SOS активирует Ras, формируя на Ras ГТФ вместо ГДФ.

6.Активный комплекс Ras-ГТФ активирует другие протеины физическим включением их в плазматическую мембрану. Активный комплекс Ras-ГТФ взаимодействует с N-терминальной частью серин-треонин киназы Raf-1 (известной как митоген-активирующий протеин, MAP) первой в серии последовательности активированных протеинкиназ, которые передают активационный сигнал в ядро клетки.

7.Raf-1 фосфорилирует и активирует протеинкиназу, названную MEK, которая известна как киназа МАP-киназы (МАРКК). MEK - это мультифункциональная протеинкиназа, фосфорилирующая субстраты остатков тирозина и серина / треонина.

8.MEK фосфорилирует МАP-киназу (МАРК), которая также вызывается внеклеточным сигналом - регуляторной киназой (ERK 1 , ERK 2). Активация МАРК требует двойного фосфорилирования на соседних остатках серина и тирозина.

9.МАРК служит важнейшей эффекторной молекулой в Ras-зависимой сигнальной трансдукции, поскольку она фосфорилирует много клеточных протеинов после митогенной стимуляции.

10.Активированная МАРК переносится в ядро, где она фосфорилирует фактор транскрипции. В целом, активированный Ras активирует МАР

путем связывания с ней. Результатом этого каскада являются фосфорилирование и активация МАР-киназы, которая, в свою очередь, фосфорилирует факторы транскрипции, белковые субстраты и другие протеинкиназы, важные для деления и других ответов клеток. Активация Ras зависит от адаптерных белков, связывающихся с фосфотирозиновыми доменами на активированных факторами роста рецепторах. Эти адаптерные белки присоединяются и активируют GNRF (гуанин-нуклеотидобменный протеин), который активирует Ras.

Рис. 2-15. Регуляция транскрипции Ras-подобными мономерными G-белками, запускаемая с рецептора с собственной тирозин-протеинкиназной активностью

Регуляция транскрипции белком, взаимодействующим с цАМФзависимым элементом ДНК (CREB)

CREB -широко распространенный транскрипционный фактор - в норме связан с участком ДНК, названным CRE (сАМР response element). В отсутствии стимуляции CREB дефосфорилирован и не влияет на транскрипцию. Многочисленные пути сигнальной трансдукции посредством активации киназ (таких, как ПКА, Са 2+ /кальмо- дулин-киназа IV, МАР-киназа) приводят к фосфорилированию CREB. Фосфорилированный CREB связывается CBP (CREB-binding protein - CREB-связывающим протеином), который имеет домен, стимулирующий транскрипцию. Параллельно фосфорилирование активирует РР1

(фосфопротеинфосфатазу 1), которая дефосфорилирует CREB, что приводит к остановке транскрипции.

Показано, что активация CREB-опосредованно- го механизма важна для реализации таких высших когнитивных функций, как обучение и память.

На рисунке 2-15 показано также строение цАМФзависимой ПКА, которая в отсутствии цАМФ состоит из четырех субъединиц: двух регуляторных и двух каталитических. Присутствие регуляторных субъединиц подавляет ферментативную активность комплекса. Связывание цАМФ индуцирует конформационные изменения в регуляторных субъединицах, в результате чего регуляторные субъединицы отделяются от каталитических. Каталитические ПКА попадают в ядро клетки и запускают изложенный выше процесс.

Рис. 2-16. Регуляция генной транскрипции с помощью CREB (сАМР response element binding protein) через увеличение уровня циклического аденозинмонофосфата

(С protein coupled receptors, GPCR), передают сигнал от первичных месенджеров к внутриклеточным мишеням с помощью каскада GPCR-^-G-белок^-эффекторный белок. Первичными сигналами для этих рецепторов служат самые разнообразные молекулы, например, низкомолекулярные гормоны и нейротрансмиттеры (такие, как адреналин, норадреналин, ацетилхолин, серотонин, гистамин), опиоиды, гормоны пептидной и белковой природы (адренокортико- тропин, сомаостатин, вазопрессин, ангиотензин, гонадотропин, эпидер­мальный фактор роста), некоторые нейропептиды.

В этот же ряд попадают множество химических сигналов, воспри­нимаемых обонятельными и вкусовыми сенсорными клетками, и свет, рецептором для которого служит пигмент зрительных или фоторецеп­торных клеток родопсин.

Следует учесть, что один и тот же первичный сигнал может инициировать передачу сигнала через несколько (иногда более 10) разных GPCR, так что, если число внешних сигналов для GPCR составляет несколько десятков, то самих таких рецепторов известно более 200.

При всем их разнообразии GPCR представляют собой мономерные интегральные мембранные белки, полипептидная цепь которых семь раз пересекает клеточную мембрану. Во всех случаях участок рецептора, ответственный за взаимодействие с первичным сигналом, локализован с внешней стороны мембраны, а участок, контактирующий с G-белком - на её цитоплазматической стороне.

Следующий за рецептором компонент каскада передачи сигнала с участием GPCR представлен G-белком. Найдено около 20 различных G-белков, среди них прежде всего нужно упомянуть G s и С;, которые соответственно стимулируют и ингибируют аденилатциклазу; G q , активи­рующий фосфолипазу С; G-белки сенсорных клеток: фоторецепторных - G t (трансдуцин), обонятельных - G o if и вкусовых - G g .

С-белки - это гетеротримеры, которые состоят из субъединиц трёх типов: ct, (S и у, но в естественных условиях последние две субъединицы функционируют как единый Ру-комплекс. Важнейшая характеристика С-белков - присутствие на их а-субъединице центра связывания гуани- ловых нуклеотидов: ГДФ и ГТФ (рисунки 139, 145). Если с С-белком связан ГТФ, то это соответствует его активированному состоянию. Если в нуклеотидсвязывающем центре присутствует ГДФ, то эта форма соответствует неактивному состоянию белка (рисунок 79).

Центральное событие при передаче сигнала от рецептора, на кото­рый подействовал первичный сигнал, к G-белку состоит в том, что активи­рованный рецептор катализирует обмен ГДФ, связанного с G-белком, на присутствующий в среде ГТФ. Такой ГДФ/ГТФ-обмен на G-белке сопровождается диссоциацией тримерной молекулы G-белка на две функ­циональные субъединицы: а-субъединицу, содержащую ГТФ, и Ру-комп- лекс (рисунки 139, 145).

Далее одна из этих функциональных субъединиц, какая именно - зависит от типа сигнальной системы, взаимодействует с эффекторным белком, представленным ферментом или ионным каналом. Как следствие их каталитическая активность или ионная проводимость соответственно меняется, что, в свою очередь, приводит к изменению цитоплазматической концентрации вторичного месенджера (или иона) и, в конечном счёте, инициирует тот или иной клеточный ответ.

Эффекторными белками в сигнальных системах типа GPCR-^э G-белок^ээффекторный белок могут быть аденилатциклаза, катализи­рующая синтез цАМФ из АТФ; фосфолипаза С, гидролизующая фосфати- дилинозит с образованием ДАТ и 1Рз; фосфодиэстераза, расщепляющая цГМФ до ГМФ; некоторые типы калиевых и кальциевых каналов.

Важно, что при передаче сигнала в каскаде рецептора G-белок^ээффекторный белок исходный внешний сигнал может много­кратно усиливаться (амплифицироватъся}. Это происходит благодаря тому, что одна молекула рецептора за время пребывания в активированном состоянии (R*) успевает перевести в активированную форму (G*) несколько молекул G-белка.

Например, в зрительном каскаде родопсин^С^эцГМФ-фосфоди­эстераза на каждую молекулу R* может образоваться несколько сотен или даже тысяч молекул G t *, а это означает, что на первой стадии каскада 7?*-»G* коэффициент усиления внешнего сигнала составляет 10 2 -10 3 . Хотя на следующей стадии каскада (С*^ээффекторный белок} каждая молекула G* взаимодействует только с одной молекулой эффекторного белка, сигнал здесь также амплифицируется, поскольку на каждую молекулу G* и, соответственно, активированного эффекторного белка в цитоплазме появляется (или исчезает) множество молекул вторичного месенджера. Так, в зрительном каскаде на второй его стадии одна молекула активированной цГМФ-фосфодиэстеразы способна расщепить в секунду до 3000 молекул цГМФ, служащего в фоторецепторных клетках вторичным месенджером.

Общий коэффициент усиления каскада равен произведению коэффициентов усиления на всех стадиях каскада. Коэффициент амплификации сигнала при его прохождении через каскад может достигать весьма высоких значений: в зрительных клетках это величина порядка 10 5 -10 6 .

Прекращение действия внешнего стимула сопровождается выклю­чением всех компонентов сигнальной системы. На уровне рецепторов это достигается, во-первых, в результате диссоциации первичного месенджера из комплекса с GPCR, во-вторых, путем фосфорилирования рецепторов под действием специальных протеин-киназ и последующего связывания с модифицированным рецептором специального белка (например, Р-аррес- тина).

G-белки обладают ГТФазной активностью, то есть способностью гидролизовать связанный с ними ГТФ до ГДФ, что обеспечивает их самовыключение, то есть переход G-ГТФ^э G-ГДФ. Поскольку состояние активации эффекторного белка (включён-выключен) прямо зависит от состояния G-белка, то этот переход означает также выключение эффекторного белка, а, следовательно, прекращение синтеза (гидролиза) вторичного месенджера или закрывание ионного канала.

И, наконец, чтобы переход клетки к исходному (до действия внешнего стимула) состоянию завершился, специальные механизмы восстанавливают исходный уровень вторичного месенджера или катиона в её цитоплазме. Например, цАМФ, цитоплазматическая концентрация которого повышается при передаче сигнала в каскаде Р-адренорецептора С 5 -белок^аденилатциклаза, гидролизуется затем цАМФ-фосфодиэсте- разой до нециклического (линейного) АМФ, который свойствами вторичного месенджера не обладает.

Страница 2

G-белки - это регуляторные белки, связывающие при активации ГТФ. Лучше всего изучены G-белки, стимулирующие и ингибирующие аденилатциклазу (Gs - белки и Gi-белки соответственно). βı - адренорецепторы, β2 - адренорецепторы и D1 рецепторы сопряжены с белком Gs, и поэтому стимуляция этих рецепторов сопровождается активацией аденилатциклазы и повышением внутриклеточной концентрации цАМФ - классического второго (внутриклеточного) посредника. Конечный ответ в разных клетках различен и зависит от того, что представляет собой эффекторные фрагменты (фермент, ионный канал и пр) α2– адренорецепторы, М2-холинорецепторы и D2-рецепторы сопряжены с белком Gi, и стимуляция этих рецепторов приводит к снижению активности аденилатциклазы и внутриклеточной концентрации цАМФ. Изменения активности ферментов и других внутриклеточных белков и, соответственно, клеточных функций при этом противоположны тем, что наблюдаются при активации белка Gs. α1-адренорецепторы (как и М1-холинорецепторы), видимо, сопряжены с другим, пока еще мало изученным типом G-белка. Этот белок иногда обозначают Gq. Он активирует фосфолипазу С, катализирующую распад мембранных фосфолипидов, в частности - фосфатидилинозитол-4,5-дифосфата до ИЗФ и ДГА. Оба эти вещества являются вторичными посредниками.

Связывание агониста (гормона, нейромедиатора и др.) с соответствующим рецептором приводит к белок-белковому взаимодействию между рецептором и G-белком и ускоряет диссоциацию ГДФ. В результате образуется короткоживущий комплекс агонист - рецептор - G-белок, не связанный ни с каким нуклеотидом. Связывание с этим комплексом молекулы ГТФ снижает сродство рецептора к G-белку, что приводит к диссоциации комплекса и высвобождению рецептора. Потенциально рецептор может активировать большое количество молекул G-белка, обеспечивая, таким образом, высокий коэффициент усиления внеклеточного сигнала на данном этапе. Активированная α-субъединица G-белка диссоциирует от βγ-субъединиц и вступает во взаимодействие с соответствующим эффектором, оказывая на него активирующее или ингибирующее воздействие.

α-субъeдиница с присоединенным с ней ГТФ способна взаимодействовать с эффектором в мембране - ферментами, такими, как аденилатциклаза, или, возможно, ионными каналами. Фермент может активироваться или ингибироваться, а ионный канал - открываться или закрываться. Конкретные примеры будут рассмотрены в последующих разделах. Взаимодействие с эффектором, однако, длится до тех пор, пока α - субъединица, являющаяся ГТФазой, удерживает ГТФ. Так что, очень вскоре присоединенный ГТФ гидролизуется до ГДФ. Когда это происходит, α - субъединица снова меняет свою конформацию и теряет способность активировать эффектор. После этого α-ГДФ взаимодействует с βγ-комплексом и снова образует тримерный комплекс, завершая, таким образом, цикл. Предполагают также, что комплекс из βγ-субъединиц тоже может (прямо или опосредованно) влиять на эффекторные ферменты.

Такими ферментами являются аденилатциклаза, фосфолипаза С. G-белки также регулируют работу К и Са²+-ионных каналов, К G-белкам относятся полипептид Gs, стимулирующий аденилатциклазу и регулирующий Са²+-ионные каналы, полипептид Gi, ингибирующий аденилатциклазу, и регулирующий К+-каналы в клетках тканей мозга, Gt, трансдуцин, участвующий в передаче светового сигнала, Golf специфичный белок обонятельных ресничек и др. Все G-белки являются гетеротримерами, состоящими из субъединиц α, β‚ и γ в порядке уменьшения молекулярной массы.

Впоследствии ГТФ, связанный с α-субъединицей G-белка, подвергается гидролизу, причем ферментом, катализирующим этот процесс, является сама α-субъединиц. Это приводит к диссоциации α-субъединицы от эффектора и реассоциации комплекса α-ГДФ с βγ - субъединицами. Спонтанная активация G-белка, связанного с ГДФ - весьма маловероятный процесс.

Также смотрите:

Белая куропатка – Lagopus lagopus
Имеет большое промысловое значение. Самцы больше самок. Средний вес 580-600 г. Оседлая птица. В лесной зоне белая куропатка держится главным образом на моховых болотах. На зиму переселяется в речные долины, на берега озер, где растут ивы и березки, почками и побегами...

Суточная потребность в биотине.
Суточная потребность в витамине Н разных животных различна, но для человека она равна 9 мкг. Богаты витаминами Н печень, почки и молоко, очень много биотина в желтке яиц. В свежем коровьем молоке, содержится биотина меньше, чем в постоявшем. В 1 л только что надоен...

Экологическое разнообразие современного человека
Морфологические и физиологические особенности человека, т. е. его конституция и функциональная активность давно представляют всеобщий интерес, который восходит к далекому прошлому. Еще великий врач древности Гиппократ различал сильную, плотную, влажную и жировую конст...

G-БЕЛКИ, ПОНЯТИЕ И
КЛАССИФИКАЦИЯ.
G-БЕЛОК СОПРЯЖЕННЫЕ
РЕЦЕПТОРЫ
ПОДГОТОВИЛА:
СТУДЕНТКА 3 КУРСА, 3 МЕДИЦИНСКОГО
ФАКУЛТЕТА,6 ГРУППЫ
КАЛИНОВСКАЯ Я.Д

G-белки. Понятие и классификация

G-БЕЛКИ. ПОНЯТИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ
G-белки (англ. G proteins) - это семейство белков,
относящихся к ГТФазам и функционирующих в качестве
вторичных посредников во внутриклеточных сигнальных
каскадах. G-белки названы так, поскольку в своём сигнальном
механизме они используют замену GDP на GTP как
молекулярный функциональный «выключатель» для регулировки
клеточных процессов.
G-белки были обнаружены и исследованы Альфредом Гилманом и
Мартином Родбеллом, которые получили за это открытие
Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1994 года

Типы G-белков

ТИПЫ G-БЕЛКОВ
G-белки делятся на две основных группы - гетеротримерные («большие»)
и «малые».
Гетеротримерные G-белки - это белки с четвертичной структурой,
состоящие из трёх субъединиц: альфа(α), бета (β) и гамма (γ). Малые Gбелки - это белки из одной полипептидной цепи, и относятся к
суперсемейству Ras малых ГТФаз. Их единственная полипептидная цепь
гомологична α-субъединице гетеротримерных G-белков. Обе группы Gбелков участвуют во внутриклеточной сигнализации.
Гетеротримерные G-белки
У всех гетеротримерных G-белков сходный механизм активации: они
активируются при взаимодействии со специфическими рецепторами,
сопряженными с G-белками, при этом обменивая ГДФ на ГТФ и
распадаясь на α- и βγ-субъединицы. α-субъединица, связанная с ГТФ,
воздействует на следующее звено в цепи передачи сигнала. βγсубъединица также может вызывать собственные эффекты. Инактивация
G-белков происходит в результате медленного гидролиза ГТФ до ГДФ αсубъединицей, после чего происходит реассоциация (объединение)
субъединиц.

Белки-помощники G-белков

БЕЛКИ-ПОМОЩНИКИ G-БЕЛКОВ
В работе многих G-белков участвуют вспомогательные белки.
GAPs (GTPase Activating Proteins, белки-активаторы ГТФазной
активности) ускоряют гидролиз ГТФ, ускоряя инактивацию Gбелков. Особенно важна функция GAPs для малых G-белков,
так как альфа-субъединицы гетеротримерных G-белков часто
сами обладают достаточной ГТФ-азной активностью. К GAPбелкам относятся белки семейства RGS.
GEFs (Guanine nucleotide Exchange Factors, факторы обмена
гуаниловых нуклеотидов), ускоряют обмен ГДФ на ГТФ и таким
образом активируют G-белки. Обычно для G-белка GEF-ом
служит активированный лигандом рецептор, однако в некоторых
случаях белки AGS (Activator of G-protein Signaling, активаторы
передачи сигнала G-белками) могут активировать G-белок
независимо от воздействия на него рецептора.

Цикл активации G-белка под действием G-белок-связанного рецептора.

G-Белок связанные рецепторы

G-БЕЛОК СВЯЗАННЫЕ РЕЦЕПТОРЫ
Рецепторы, сопряженные с G белком (серпетиновые
рецепторы)(англ. G-protein-coupled receptors, GPCRs), также
известные как семиспиральные рецепторы составляют большое
семейство трансмембранных рецепторов. GPCR выполняют
функцию активаторов внутриклеточных путей передачи сигнала,
приводящими в итоге к клеточному ответу.
Эндогенные лиганды-агонисты, которые связываются и активируют эти
рецепторы, включают гормоны, нейромедиаторы, светочувствительные
вещества, пахучие вещества, феромоны и варьируются в своих
размерах от небольших молекул и пептидов до белков. Нарушение
работы GPCR приводит к возникновению множества различных
заболеваний, а сами рецепторы являются мишенью до 40 %
выпускаемых лекарств. на многочисленные схемы, было предложено
разделить надсемейство на три основных класса (a, b и c).
Рецепторы этого семейства обнаружены только в клетках
эукариот: у дрожжей, растений и животных.

Лиганды и лиганд-связывающие участки серпентиновых рецепторов

ЛИГАНДЫ И ЛИГАНД-СВЯЗЫВАЮЩИЕ
УЧАСТКИ СЕРПЕНТИНОВЫХ РЕЦЕПТОРОВ
Уникальная структура лиганд-связывающих участков
серпентиновых рецепторов позволяет связывать лиганды
различной природы и молекулярной массы

Классификация G-Белок Сопряженных рецепторов

КЛАССИФИКАЦИЯ G-БЕЛОК
СОПРЯЖЕННЫХ РЕЦЕПТОРОВ
Семейство GPCR подразделяют на 6 классов на основании гомологии
их аминокислотных последовательностей и функционального сходства:
1.
Класс A (или 1) (Родопсиноподобные рецепторы)
2.
Класс B (или 2) (Рецепторы секретинового семейства)
3.
Класс C (или 3) (Метаботропные глутаматные рецепторы)
4.
Класс D (или 4) (Рецепторы феромонов спаривания грибков)
5.
Класс E (или 5) (Рецепторы цАМФ)
6.
Класс F (или 6) (Frizzled/Smoothened)
Класс A является на сегодняшний день самым большим, поэтому
далее поделен на 19 подклассов (A1-A19). На его долю приходится
около 85 % генов ПЗСК. По предположениям более половины
рецепторов из данного класса кодируют обонятельные рецепторы,
тогда как остальные 15 % - кодируют рецепторы эндогенных
соединений.
Человеческий геном кодирует порядка 350 рецепторов, связанных с Gбелками, которые связывают гормоны, факторы роста и другие
эндогенные лиганды. Функция около 150 рецепторов, обнаруженных в
геноме человека, остаётся невыясненной.

СТРУКТУРА РЕЦЕПТОРА G-БЕЛОК
СОПРЯЖЕННЫХ РЕЦЕПТОРОВ
Внеклеточная часть состоит из петель, в которых среди прочих
остатков содержатся два высококонсервативных остатка
цистеина, образующих дисульфидную связь, что стабилизирует
структуру рецептора.
Ранние структурные модели GPCR были основаны на их
некоторой схожести с бактериородопсином, для которого
структура была определена как методом электронной
дифракции так и рентгеноструктурным анализом.

Структура рецептора G-белок сопряженных рецепторов

СТРУКТУРА РЕЦЕПТОРА G-БЕЛОК
СОПРЯЖЕННЫХ РЕЦЕПТОРОВ
В 2000 году была получена структура первого GPCR
млекопитающих - бычьего родопсина (1F88). Оказалось, что хотя
основная черта - семь трансмембранных спиралей -
сохранена, относительное их расположение заметно отличается от
такового в бактериородопсине.
В 2007 году впервые была получена структура GPCR человека - β2адренэргического рецептора (2R4R, 2R4S) (2RH1).Структура этого
рецептора оказалась весьма сходной со структурой зрительного
родопсина быка по взаимному расположению спиралей. Однако
конформация второй внеклеточной петли в этих структурах
различается коренным образом. А поскольку эта петля является
«крышкой», закрывающей сверху сайт связывания лиганда, то
различия в её конформации подчеркивают трудности построения
моделей рецепторов, связанных с G-белками, основываясь лишь
на структуре зрительного родопсина.
В 2008 году была получена структура опсина, очищенного от
родопсина, с разрешением 2,5 ангстрема.

АКТИЦВАЦИЯ G-БЕЛОК
СОПРЯЖЕННЫХ РЕЦЕПТОРОВ
С-концевой участок рецептора локализован на
цитоплазматической стороне плазматической мембраны и
содержит высококонсервативные цистеиновые остатки,
характерные для всего семейства G-белок связывающих
рецепторов. В неактивном состоянии G белки обычно находятся
вблизи рецептора. Фактически они представляют собой
комплекс, сформированный из 3-х различных субъединиц,
названых: Альфа, Бетта и Гамма.

Актицвация G-белок сопряженных рецепторов

АКТИЦВАЦИЯ G-БЕЛОК
СОПРЯЖЕННЫХ РЕЦЕПТОРОВ
До активации все три субъединицы связаны вместе. Когда
рецептор активируется присоединением лиганда, на aсубъединице происходит обмен GDP на GTP (откуда и термин G
белок). Два состояния G белка (on или off) определяются
гуаниновым нуклеотидом, который он в данный момент связывает.
Неактивный G белок связывает GDP, активный связывает GTP. Будучи
в активном состоянии, G белок передает сигналы далее в клетку.
Однако G белок остается в активном состоянии только в течение
короткого периода времени (секунды или меньше), после чего он
дефосфорилируется его собственной GTP-азой. Этот гидролиз
представляет механизм отрицательной обратной связи, который
обеспечивает кратковременность нахождения G белка в активном
состоянии.
В последние годы выяснены механизмы участия b-гамма
субъединицы G белка в регуляции активности К+ и Са2+ каналов.

Ацетилхолин индуцирует открытие К+ каналов в мембране (клеток сердечной мышцы)

АЦЕТИЛХОЛИН ИНДУЦИРУЕТ ОТКРЫТИЕ К+
КАНАЛОВ В МЕМБРАНЕ (КЛЕТОК СЕРДЕЧНОЙ
МЫШЦЫ)
Связывание АХ с мускариновым АХ-рецептором активирует
обмен GTP на GDP на a-субъединице G белка. Освобожденная
b-гамма субъединица связывается с К+ каналом и открывает
его. Увеличение проницаемости для К+ гиперполяризует
мембрану, что уменьшает частоту сердечных сокращений.

РЕГУЛЯЦИЯ G-БЕЛОК-ЗАВИСИМЫХ
РЕЦЕПТОРОВ
Рецепторы, связанные с G-белками теряют чувствительность
после длительной экспозиции со своими лигандами. Различают
две формы потери чувствительности (десенситизации): 1)
гомологичную, при которой сокращается число активированных
рецепторов; и 2) гетерологическую, при которой
активированный рецептор вызывает сокращение числа
рецепторов других типов. Ключевой реакцией подобного
сокращения числа рецепторов является фосфорилирование
внутриклеточного (или, что то же, цитоплазматического) домена
рецептора протеинкиназами.

Регуляция G-белок-зависимых рецепторов

РЕГУЛЯЦИЯ G-БЕЛОК-ЗАВИСИМЫХ
РЕЦЕПТОРОВ
Фосфорилирование цАМФ-зависимыми протеинкиназами
цАМФ-зависимые киназы (протеинкиназа А) активируются цепью
сигналов с G-белка (который был активирован рецептором)
посредством аденилатциклазы и цАМФ. По механизму
обратной связи эти активированные киназы фосфорилируют
рецептор. Чем дольше рецептор остаётся активным, тем
больше киназ активируется, тем больше рецепторов
фосфорилируется.

Регуляция G-белок-зависимых рецепторов

РЕГУЛЯЦИЯ G-БЕЛОК-ЗАВИСИМЫХ
РЕЦЕПТОРОВ
Фосфорилирование GRK-киназами.
Киназы рецепторов, связанных с G-белками (GRK-киназы) - это
протеинкиназы, фосфорилирующие лишь активные рецепторы,
связанные с G-белками.
Фосфорилирование рецептора может иметь такие последствия:
1.
Транслокация: Рецептор, заодно с частью окружающей его
мембраны, захватывается внутрь клетки, где дефосфорилируется при
кислых значениях внутри везикул среды и возвращается обратно. Этот
механизм используется для регуляции при долговременном воздействии,
например, гормонов, позволяя возвращение чувствительности
(ресенситизацию) после её потери. Иначе, рецептор может претерпеть
лизосомальное расщепление или остаться интернализованным.
2.
Связывание аррестина: Фосфорилированный рецептор может
связаться с молекулами аррестина, которые не допустят его связывания с
G-белками (и активации их), эффективно выключая рецептор на
короткое время. Этот механизм используется, например, в родопсине
клеток сетчатки для компенсации воздействия яркого света.

ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ G-БЕЛОК
СОПРЯЖЕННЫХ РЕЦЕПТОРОВ
Рецепторы, связанные с G-белками вовлечены в широкий круг
физиологических процессов. Вот некоторые примеры:
1.
зрение: опсины используют реакцию фотоизомеризации
для превращения электромагнитного излучения в клеточные
сигналы. Родопсин, например, использует превращение 11-цисретиналя в полностью-транс-ретиналь для этой цели;
2.
обоняние: рецепторы обонятельного эпителия связывают
пахучие вещества (обонятельные рецепторы) и феромоны
(вомероназальные рецепторы);
3.
регуляция поведения и настроения: рецепторы в мозге
млекопитающих связывают несколько различных
нейромедиаторов, включая серотонин, дофамин, гаммааминомасляную кислоту (ГАМК) и глутамат;

Физиологическая роль G-белок сопряженных рецепторов

ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ G-БЕЛОК
СОПРЯЖЕННЫХ РЕЦЕПТОРОВ
4.
регуляция активности иммунной системы и воспаления:
хемокиновые рецепторы связывают лиганды, которые
осуществляют межклеточную коммуникацию в иммунной
системе; рецепторы, такие как гистаминовый рецептор,
связывают медиаторы воспаления и вовлекают определенные
типы клеток в воспалительный процесс;
5.
функционирование вегетативной нервной системы: как
симпатическая, так и парасимпатическая нервная система
регулируются посредством рецепторов, связанных с G-белками,
ответственных за многие автоматические функции организма,
такие как поддержание кровяного давления, частоты сердечных
сокращений и пищеварительных процессов.

ПРИМЕРЫ G-БЕЛОК СОПРЯЖЕННЫХ
РЕЦЕПТОРОВ
1.Карта белка рецептора мускаринового
Ацетилхолиновый мускариновый рецептор относится к классу
серпентиновых рецепторов, осуществляющих передачу сигнала
через гетеротримерные G- белки.
Семейство мускариновых рецепторов впервые было о
бнаружено благодаря их способности связывать алкалоид
мускарин. Мускариновые рецепторы были изначально
разделены фармакологически на М1 и М2 типы, на основании
различия в их чувствительности к пирензепину, оказавшемуся
селективном антагонистом М1 рецептора. Показано, что
стимуляция М1 рецептора активирует фосфолипазу С (PLC),
приводя к высбождению вторичного мессенджера инозитол 3фосфата и последующей мобилизации внутриклеточного
кальция.

Примеры G-белок сопряженных рецепторов

ПРИМЕРЫ G-БЕЛОК СОПРЯЖЕННЫХ
РЕЦЕПТОРОВ
Показано также, что ингибирование M2 рецептора подавляет
активность аденилатциклазы, приводя к уменьшению
внутриклеточного уровня сАМР. Мускариновые рецепторы
можно разбить на подтипы в соответствии с их способностью
мобилизовать внутриклеточный кальций (m1,m3,m5) или
ингибировать аденилатциклазу (m2,m). Подтипы m1, m3 и m5
рецептора активируют фосфолипазы А2, С и D, тирозинкиназу и
вход кальция. Подтипы M2, M также увеличивают активность
фосфолипазы А2. В передаче сигнала с b-адренергического
рецептора G белки.

Примеры G-белок сопряженных рецепторов

ПРИМЕРЫ G-БЕЛОК СОПРЯЖЕННЫХ
РЕЦЕПТОРОВ
2.Карта белка рецептора адренергического бета
При молекулярном клонировании гена и кДНК бетаадренаргического рецептора млекопитающих выявились
неожиданные особенности. Во-первых, оказалось, что в данном
гене нет интронов и, следовательно, вместе с генами гистонов и
интерферона он составляет единственную группу генов
млекопитающих, лишенных этих структур. Во-вторых, удалось
установить, что бета-адренергический рецептор имеет близкую
гомологию с родопсином (по крайней мере в трех пептидных
участках) - белком, инициирующим зрительную реакцию на
свет.
Действуя как лиганд, адреналин связывается с рецептороми,
экспонированными на поверхности разнообразных типов
клеток повсюду в организме. Эти рецепторы называются bадренергическими и являются серпентиновыми. Адреналин не
проникает в клетку. Активность серпентиновых рецепторов не
зависит от димеризации рецепторов.

Примеры G-белок сопряженных рецепторов

ПРИМЕРЫ G-БЕЛОК СОПРЯЖЕННЫХ
РЕЦЕПТОРОВ
3.Рецепторы, связывающие G-белки: гликозилирование
Следует отметить, что NH2 концевой участок рецепторов,
связывающих G-белки, находится на экстраклеточной стороне
мембраны и содержит потенциальные места
гликозилирования. Существенная роль гликолизирования в
связывании лиганда была показана посредством мутационного
анализа мускариновых рецепторов.

РЕЦЕПТОРЫ ГОРМОНОВ
СОПРЯЖЕННЫЕ С G-БЕЛКАМИ
Многие гормоны активируют рецепторы, которые регулируют
активность белков клеток- мишеней (например, ферментов или
белков ионных каналов) не напрямую, а объединяясь с группами
белков клеточных мембран, называемыми гетеротримерными
ГТФ-связанными белками (G-белками). Известно более 1000 Gбелок-сопряженных рецепторов, все они имеют 7трансмембранных сегментов, образующих петли внутри и
снаружи мембраны клетки. Некоторые части рецептора,
выступающие в цитоплазму клетки (главным образом
расположенный в цитоплазме клеточный хвост рецептора),
объединены с G-белками, включающими три части (отсюда -
тримерные): а-, бета-, у-субъединицы.

Рецепторы гормонов Сопряженные с G-белками

РЕЦЕПТОРЫ ГОРМОНОВ
СОПРЯЖЕННЫЕ С G-БЕЛКАМИ
Когда лиганд (гормон) взаимодействует с внеклеточной частью
рецептора, в нем происходят конформационные изменения,
активирующие G-белок и индуцирующие внутриклеточные
сигналы, которые либо 1) открывают или закрывают ионные
каналы мембраны, либо 2) изменяют активность ферментов в
цитоплазме клетки.
Трехкомпонентные G-белки получили свое название благодаря
своей способности связываться с гуанозиновыми нуклеотидами.
Таким образом, в зависимости от взаимодействия рецептора
гормона с тормозящим или активирующим G-белком гормон
может либо увеличивать, либо снижать активность ферментов
в клетке. Эта комплексная система мембран клеток и Gбелков потенциально обеспечивает многообразие ответов
различных тканей-мишеней организма на действие различных
гормонов.

В покое на постсинаптической мембране находится комплекс рецептор‑G-белок c ГДФ (рис. 809251335, 809251304).

Использованные в рис. 809251335 обозначения фаз ГТФ-азного цикла G‑белков не являются обязательными. В литературе выделяют 5, 6 и более фаз. На рис. 809251304 использовано иное обозначения. Однако принципиальной разницы в представленных схемах нет. Рисунок 809251304 Вам при желании легче будет воспроизвести.

Рис. 809251304. ГТФ-азный цикла G‑белков. 1- фаза покоя; 2 - оединяется медиатора (лиганда) к рецептору; 3 - диссоциация G‑белка; 4 - активация эффектора; 5 - дефосфорилирование ГТФ. Красное окрашивание рецептора на рисунке символизирует активацию; R – рецептор; Е - эффектор; L – медиатор (лиганд, агонист).

Связывание медиатора (агониста) с рецептором приводит к белок-белковому взаимодействию между рецептором и G-белком и ускоряет диссоциацию ГДФ. В результате образуется короткоживущий комплекс агонист - рецептор - G-белок, не связанный ни с каким нуклеотидом.

Связывание с этим комплексом молекулы ГТФ снижает сродство рецептора к G‑белку, что приводит к диссоциации комплекса и высвобождению рецептора.

Потенциально рецептор может активировать большое количество молекул G-белка, обеспечивая, таким образом, высокий коэффициент усиления внеклеточного сигнала на данном этапе.

Активированная альфа-субъединица G‑белка диссоциирует от бета-гамма-субъединиц и вступает во взаимодействие с соответствующим эффектором, оказывая на него активирующее или ингибирующее воздействие.

Альфа-субъдиница с присоединенным с ней ГТФ способна взаимодействовать с эффектором в мембране - ферментами, такими, как аденилатциклаза, или, возможно, ионными каналами. Фермент может активироваться или ингибироваться, а ионный канал - открываться или закрываться. Конкретные примеры будут рассмотрены ниже и в последующих лекциях.

Взаимодействие с эффектором, однако, длится до тех пор, пока альфа-субъединица, являющаяся ГТФ-азой, удерживает ГТФ.

Вскоре присоединенный ГТФ гидролизуется до ГДФ. Когда это происходит, альфа‑субъединица снова меняет свою конформацию и теряет способность активировать эффектор. После этого альфа-ГДФ взаимодействует с бета-гамма-комплексом и снова образует тримерный комплекс, завершая, таким образом, цикл.

Пример прямой активация калиевого канала субъединицами G-белка показан на рис. 809251442.

Пример прямого ингибирования Са 2+ -канала субъединицами G-белка показан на рис. 809251458.