Основно съдържание

Курс: Биологична библиотека > Раздел 14

Урок 1: Как клетките си комуникират взаимно

Лиганди & рецептори

Видове сигнални молекули и рецепторите, с които се свързват върху целевите клетки. Вътреклетъчни рецептори, лиганд-затворени йонни канали, G протеин свързани рецептори и рецептори тирозин киназа.

Въведение

Точно както едно пътуване от хиляда мили започва с една стъпка, така и комплексна сигнална пътека в клетката започва с едно ключово събитие - свързването на сигнална молекула, или лиганд, към получаващата я молекула, или рецептор.

Рецепторите и лигандите имат най-разнообразни форми, но всички имат едно общо нещо: те образуват близко свързани двойки, като рецепторът разпознава само един (или няколко) специфични лиганда и лигандът се прикрепя само към един (или няколко) целеви рецептора. Свързването на лиганд към рецептор променя формата или активността му, като му позволява да предаде сигнал или директно да доведе до промяна вътре в клетката.

В този раздел ще разгледаме различни видове рецептори и лиганди, като ще видим как взаимодействат, за да превърнат информация, идваща извън клетката, в промяна вътре в клетката.

Видове рецептори

Рецепторите са най-различни видове, но могат да бъдат разделени на две категории: вътреклетъчни рецептори, които се намират вътре в клетката (в цитоплазмата или ядрото), и рецептори върху клетъчната повърхност, които се намират в плазмената мембрана.

Вътреклетъчни рецептори

Вътреклетъчните рецептори са рецепторни протеини, които се срещат вътре в клетката, обикновено в цитоплазмата или ядрото. В повечето случаи лигандите на вътреклетъчните рецептори са малки, хидрофобни (мразещи водата) молекули, тъй като трябва да могат да преминат през плазмената мембрана, за да достигнат до рецепторите си. Например главните рецептори за хидрофобните стероидни хормони, например като половите хормони естрадиол (вид естроген) и тестостерон, са вътреклетъчни

^{1, 2}

Когато един хормон навлезе в една клетка и се прикрепи към своя рецептор, това води до промяна на формата на рецептора, което позволява на комплекса рецептор-хормон да навлезе в ядрото (ако вече не е бил там) и да регулира генната активност. Свързването на хормона излага региони на рецептора, които имат способност да се прикрепват към ДНК, по-точно към специфични последователности ДНК. Тези последователности се срещат близо до определени гени в ДНК-то на клетката и когато рецепторът се прикрепи близо до тези гени, той променя нивото им на транскрипция.

При процеса на генна експресия клетката прочита информацията, съдържаща се в гена, т.е. в даден сегмент от ДНК, за да произведе функционален продукт - в много случаи това е протеин. Експресията на еукариотен ген, който кодира протеин, може да бъде разделено на два основни етапа:

Транскрипция, при която ДНК последователността на гена се копира във вид на РНК молекула. РНК молекулата се модифицира в ядрото, за да се получи зряла информационна РНК, или иРНК.
Транслация, при която информацията от иРНК молекула се използва, за да се синтезира протеин със специфична аминокиселинна последователност.

Различните видове клетки експресират различни набори гени, а една единствена клетка може да промени своя модел на генна експресия в течение на своя живот. Промени на генната експресия изменят набора протеини, произведени от клетката, което може на свой ред да промени клетъчното поведение, метаболизъм и дори клетъчната идентичност.

Можеш да научиш повече относно генната експресия и нейните етапи във видеото върху транскрипция и транслация.

Изображение: "Сигнални молекули и клетъчни рецептори: Фигура 3", от Колеж ОупънСтакс, Биология (CC BY 3.0).

Много сигнални пътища, които включват и вътреклетъчни рецептори, и такива на клетъчната повърхност, водят до промени на траскрипцията на гени. Но вътреклетъчните рецептори са уникални, понеже причиняват тези промени много директно, прикрепяйки се към ДНК и сами променяйки транскрипцията.

Рецептори на клетъчната повърхност

Рецепторите на клетъчната повърхност са свързани с мембраната протеини, които прикрепят лиганди от външната повърхност на клетката. При този вид сигнализиране не е нужно лигандът да пресича плазмената мембрана. Така че много видове молекули (включително големи хидрофилни, или обичащи водата) могат да действат като лиганди.

Един типичен рецептор на клетъчната повърхност има три различни домена, или протеинови области: извънклетъчен свързващ лиганда домен, хидрофобен домен, преминаващ през мембраната, и вътреклетъчен домен, който често предава сигнал. Размерът и структурата на тези области могат да варират много в зависимост от вида рецептор и хидрофобният регион може да се състои от множество нишки аминокиселини, които няколко пъти пресичат мембраната.

Тази диаграма показва G протеин-свързан рецептор (GPCR), вид рецептор, който ще проучим в повече подробности по-късно в статията. GPCR имат седем мебранопреминаващи домена, както е показано от седемте отсечки, пресичащи сивата област, която представлява плазмената мембрана.

Има много видове рецептори на клетъчната повърхност, но тук ще разгледаме три често срещани: лиганд-медиирани канали, G протеин-свързани канали и рецепторни тирозин кинази.

Лиганд-зависими йонни канали

Лиганд-зависимите йонни канали са йонни канали, които се отварят в отговор на прикрепянето на лиганд. За да образува канал, този вид рецептор на клетъчната повърхност има пронизващ мембраната регион с хидрофилен (обичащ водата) канал по средата. Каналът позволява на йоните да пресекат мембраната без да трябва да докоснат хидрофилното ядро на фосфолипидния бислой.

Когато един лиганд се прикрепи към извънклетъчния регион на канала, структурата на протеина се променя по такъв начин, че могат да преминат йони от определен вид, например

{Ca}^{2 +}

или

{Cl}^{-}

. В някои случаи е вярно обратното: каналът обикновено е отворен, а прикрепянето на лиганда го кара да се затвори. Промените в нивата на йоните вътре в клетката могат да променят активността на други молекули, като прикрепящи йони ензими и чувствителни към напрежението канали, за да произведат отговор. Невроните, или нервните клетки, имат лиганд-зависими канали, които се свързват с невротрансмитери.

Изображение, модифицирано от "Сигнални молекули и клетъчни рецептори: Фигура 4", от Колеж ОупънСтакс, Биология (CC BY 3.0).

G протеин-свързани рецептори

G протеин-свързаните рецептори (GPCR) са голямо семейство рецептори на клетъчната повърхност, които имат сходна структура и метод за сигнализиране. Членовете на GPCR имат седем различни протеинови сегмента, които пресичат мембраната, и предават сигнали вътре в клетката чрез вид протеин, наречен G протеин (повече детайли по-долу).

GPCR са разнообразни и се свързват с много различни видове лиганди. Един особено интересен клас GPCR са одорантните рецептори (за миризма). Хората притежават около

800

такива и всеки се свързва със своя собствена "мирисна молекула" – като определен химикал в парфюм или определено съединение, изпускано от гниеща риба – и води до изпращане на сигнал към мозъка, което ни позволява да усетим миризма!

^{3}

Когато неговият лиганд не е наличен, G протеин-свързаният рецептор чака на плазмената мембрана в неактивно състояние. Поне за някои видове GPCR инактивираният рецептор вече е свързан към сигнализиращата си мишена, G протеин

^{4}

G протеините са ризлични видове, но всички те се прикрепят към нуклеотида гуанозин трифосфат (ГТФ), който могат да разградят (хидролизират), за да образуват ГДФ. G протеин, свързан с ГТФ, е активен, или "включен", докато G протеин, който е свързан към ГДФ, е неактивен, или "изключен". G протеините, които са свързани с GPCR, са вид, изграден от три подединици, познати като хетеротримерни G протеини. Когато те са прикрепени към неактивен рецептор, те са в "изключен" вид (свързан към ГДФ).

Изображение, модифицирано от "Сигнални молекули и клетъчни рецептори: Фигура 5", от Колеж ОупънСтакс, Биология (CC BY 3.0).

Но свързването на лиганда променя картинката: GPCR се активира и кара G протеина да обмени ГДФ за ГТФ. Сега активният G протеин се разделя на две части (една наречена α подединица, другата състояща се от β и γ подединици), които биват освободени от GPCR. Подединиците могат да взаимодействат с други протеини, задействайки сигнализиращ път, който предизвиква отговор.

В крайна сметка α подединицата ще хидролизира ГТФ обратно до ГДФ, в който момент G протеинът става неактивен. Неактивният G протеин се сглобява от три цяло от три части, свързан с GPCR. Клетъчното сигнализиране с използването на G протеин-свързани рецептори е цикъл, който може да се повтаря отново и отново в отговор на свързването на лиганд.

G протеин-свързаните рецептори играят много важни роли в човешкото тяло и нарушението на CPCR сигнализирането може да причини болести.

Някои болестотворни бактерии освобождават токсини, които прекъсват сигнализацията на G протеин-свързани рецептори, водещи до заболявания като коклюш, ботулизъм и холера.

При холерата например бактерията Vibrio cholerae произвежда токсин, наречен холераген, който се свързва с клетките, покриващи тънкото черво. След това токсинът навлиза в чревните клетки, където модифицира G протеин, който контролира отварянето на йонните канали, заключвайки го в постоянно активно състояние. Тъй като G протеинът не може да се изключи, йонните канали остават отворени много по-дълго отколкото трябва, причинявайки изливането на йони извън клетките (и вода в резултат на осмоза). Тази малка промяна в GPCR сигналната пътека причинява диария, тежка загуба на течности, и потенциална фатална дехидратация, наблюдавана при пациенти, болни от холера.

Когато на пациенти, болни от холера, се дава прост разтвор от сол и глюкоза, това може да предотврати обезводняване и да спаси животи. Научи защо в статията върху активен транспорт.

Рецепторни тирозин кинази

Ензим-свързаните рецептори са рецептори върху клетъчната повърхност с вътреклетъчни домени, които са свързани с ензим. В някои случаи вътреклетъчният домен на рецептора е ензим, който може да катализира реакция. Други ензим-свъзрани рецептори имат междуклетъчен домен, който взаимодейства с ензим

^{5}

Рецептор тирозин киназите (RTK) са клас ензим-свързани рецептори, които се срещат при хората и много други видове. Киназа е просто име за ензим, който прехвърля фосфатни групи към протеин или друга мишена, а рецептор тирозин киназа прехвърля фосфатни групи специфично към аминокиселината тирозин.

Как работи RTK сигнализирането? В един типичен пример, сигнализиращите молекули първо се прикрепят към извънклетъчния домен на две близки рецептор тирозин кинази. Двата съседни рецептора после се събират, или димеризират. Рецепторите после прикрепят фосфати към тирозините на своите вътреклетъчни домени. Фосфорилираният тирозин може да предаде сигнал на други молекули в клетката.

Изображение, модифицирано от "Сигнални молекули и клетъчни рецептори: Фигура 7", от Колеж ОупънСтакс, Биология (CC BY 3.0).

В много случаи фосфорилираните рецептори служат като платформа за закотвяне за други протеини, които съдържат специални видове прикрепящи домени. Различни протеини съдържат тези домени и когато един от тези протеини се прикрепи, той може да инициира сигнализираща каскада надолу по веригата, която води до клетъчен отговор

^{6, 7}

Рецептор тирозин киназите са жизненоважни за много сигнализиращи процеси при хората. Например те се прикрепят към растежни фактори – сигнализиращи молекули, които насърчават клетъчното делене и оцеляване. Растежни фактори включват тромбоцит-извлечен растежен фактор (PDGF), който участва в заздравяването на раните, и нервен растежен фактор (NGF), който трябва непрекъснато да бъде доставян на определени видове неврони, за да ги държи живи

^{8}

. Поради ролята им в сигнализирането на растежните фактори, рецептор тирозин киназите са незаменими в тялото, но активността им трябва да се държи в баланс: свръхактивни рецептори за растежни фактори са свързани с някои видове рак.

Видове лиганди

Лигандите, които биват произведени от сигнализиращи клетки и взаимодействат с рецептори в или върху целевите клетки, биват много различни разновидности. Някои са протеини, други са хидрофобни молекули като стероиди, а трети са газове като азотен оксид. Тук ще разгледаме някои примери за различни видове лиганди.

Лиганди, които могат да навлязат в клетката

Малки, хидрофобни лиганди могат да преминат през плазмената мембрана и да се прикрепят към вътреклетъчни рецептори в ядрото или цитоплазмата. В човешкото тяло някои от най-важните лиганди от този вид са стероидните хормони.

Познати стероидни хормони включват женския полов хормон естрадиол, който е вид естроген, и мъжкия полов хормон тестостерон. Витамин D, молекула, синтезирана в кожата чрез използване на енергия от светлината, е друг пример за стероиден хормон. Понеже са хидрофобни, тези хормони нямат трудности да пресекат плазмената мембрана, но трябва да се прикрепят към протеини носители, за да се движат през (воднистото) кръвообращението.

Изображение, модифицирано от "Сигнални молекули и клетъчни рецептори: Фигура 8", от Колеж ОупънСтакс, Биология (CC BY 3.0).

Азотният оксид (NO) е газ, който действа като лиганд. Подобно на стероидните хормони той може да дифундира директно през плазмената мембрана благодарение на малкия си размер. Една от ключовите му роли е да активира сигнален път в гладката мускулатура около кръвоносните съдове, който кара мускулите да се отпуснат и позволява на кръвоносните съдове да се разширят (дилатират). Всъщност лекарството нитроглицерин лекува сърдечни болести точно чрез освобождаването на NO, при което се разширяват кръвоносните съдове и се възстановява кръвотока към сърцето.

NO стана по-добре познат наскоро, понеже пътят, който засяга, е целеви за лекарствата по лекарско предписание за еректилна дисфункция, като Виагра.

Лиганди, които се прикрепят към външната страна на клетката

Водоразтворимите лиганди са полярни или заредени молекули и не могат лесно да преминат през плазмената мембрана. Така че повечето водоразтворими лиганди се прикрепят към извънклетъчните домени на рецепторите на клетъчната повърхност, оставайки на външната повърхност на клетката.

Пептидните (протеинови) лиганди съставят най-големия и най-разнообразен клас водоразтворими лиганди. Например, растежните фактори, хормони като инсулин и определени невротрансмитери попадат в тази категория. Пептидните лиганди могат да варират от дължина само няколко аминокиселини, като болкопотискащите енкефалини, до сто или повече аминокиселини дължина

^{9}

Както е споменато по-горе, някои невротрансмитери са протеини. Но много други невротрансмитери са малки, хидрофилни (обичащи водата) органични молекули. Някои невротрансмитери са стандартни аминокиселини като глутамат и глицин, а други са модифицирани или нестандартни аминокиселини.

Източници

Тази статия е произволна модификация на "Сигнални молекули и клетъчни рецептори,” by Колеж ОупънСтакс, Биология (CC BY 3.0). Изтегли оригиналната статия безплатно на http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85.

Изменената статия е лицензирана под разрешително CC BY-NC-SA 4.0.

Цитирани трудове:

Андрогенен рецептор (2015, 12 август). Получено 3 ноември, 2015 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Androgen_receptor.
Рецептор за естроген. (2015, октомври 13). Получено на 3 ноември, 2015 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Estrogen_receptor.
Рецептор за аромат. (2016, July 13). Получено на 23 юли 2016 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Olfactory_receptor.
Qin, K., Dong, C., Wu, G., and Lambert, N. A. (2011). Inactive-state preassembly of Gq-coupled receptors and Gq heterotrimers. Nat. Chem. Biol., 7(10), 740-747. http://dx.doi.org/10.1038/nchembio.642. Retrieved from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3177959/.
Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., and Walter, P. (2002). Signaling through enzyme-linked cell-surface receptors. In Molecular biology of the cell (4th ed.). New York, NY: Garland Science. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26822/.
RTK. (2014). In Scitable. Retrieved from http://www.nature.com/scitable/topicpage/rtk-14050230.
Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore, D., and Darnell, J. (2000). Receptor tyrosine kinases and Ras. Molecular cell biology (4th ed., section 20.4). New York, NY: W. H. Freeman. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21720/.
Schelssinger, J. and Ullrich, A. (1992). Growth factor signaling by receptor tyrosine kinases. Neuron 9, 383-391. http://dx.doi.org/10.1016/0896-6273(92)90177-F.
Cooper, G.M. (2000). Signaling molecules and their receptors. In The cell: A molecular approach (2nd ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9924/.

Препратки:

Андрогенен рецептор (2015, 12 август). Получено 3 ноември, 2015 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Androgen_receptor.

Cooper, G.M. (2000). Signaling molecules and their receptors. In The cell: A molecular approach (2nd ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9924/.

Енкефалин. (2015, 21 август). Получено 3 ноември, 2015 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Enkephalin.

Естроген рецептор. (2015, 13 октомври). Получено 3 ноември 2015 г., от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Estrogen_receptor.

GPCR. (2014). В Scitable. Получено от http://www.nature.com/scitable/topicpage/gpcr-14047471.

G протеин-свързан рецептор. (2015, 30 октомври). Получено 3 ноември, 2015 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/G_protein%E2%80%93coupled_receptor.

Лодиш, Х., Бърк, А., Зипурски, С. Л., Мацудайра, П., Балтимор, Д., и Дарнел, Дж. (2000). G протеин-свързани рецептори и техните ефектори. Молекулярна клетъчна биология (4-то издание, секция 20,3). Ню Йорк, Ню Йорк: W. H. Freeman. Получено от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21718/.

Обонятелен рецептор. (2015, 15 септември). Получено 3 ноември, 2015 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Olfactory_receptor.

Рейвън, П. Х., Джонсън, Г. Б., Мейсън, К. А., Лосос, Дж. Б., и Сингър, С. Р. (2014). Клетъчна комуникация. В Биология (10то издание, AP ред., стр. 168-185). Ню Йорк, Ню Йорк: McGraw-Hill.

Рийс, Дж. Б., Юри, Л. А., Кайн, М. Л., Васерман, С. А., Минорски, П. В., и Джаксън, Р. Б. (2011). Клетъчна комуникация. В Кампбел биология (10-то издание, стр. 210-231). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.

Schlessinger, J. and Ullrich, A. (1992). Growth factor signaling by receptor tyrosine kinases. Neuron 9, 383-391. http://dx.doi.org/10.1016/0896-6273(92)90177-F.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.