Receptory komórkowe i zasady komunikacji międzykomórkowej. Część III*. Receptory związane z białkami G (metabotropowe)

W 1994 roku dwaj Amerykanie, Martin Rodbell i Alfred Gilman otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii za odkrycie tzw. białek G i wyjaśnienie ich roli w przekazywaniu informacji w obrębie komórki. Badacze ci wykazali m.in., że przepływ informacji od receptora do efektora odbywa się przy udziale jednego uniwersalnego mechanizmu, w którym pośredniczą właśnie białka G, bez względu na różnice w budowie pierwotnej substancji sygnalizacyjnej.

Receptory związane z białkami G stanowią największą i najbardziej funkcjonalnie zróżnicowaną grupę. Opisano ich setki rodzajów na komórkach zwierząt. Są to m.in. receptory dla neuromodulatorów i neuroprzekaźników, niektórych hormonów i rodopsyny.

Receptory te kontrolują następujące procesy:

– aktywność fosfolipazy C oraz syntezę jej wtórnych przekaźników,

– aktywność cyklazy adenylowej i syntezę cAMP,

– kanały jonowe (np. maxi-K, Ca),

– aktywność fosfolipazy A2, a więc kaskadę kwasu arachidonowego,

– aktywność fosfodiesterazy cGMP (w przypadku rodopsyny).

Pomimo, że tak jak już wspomniano, pobudzające cząsteczki sygnałowe mogą być bardzo różnorodne, to wszystkie współpracujące z białkami G receptory mają identyczny plan budowy. Każdy z tych receptorów ma mianowicie postać a-helisy siedmiokrotnie przebijającej dwuwarstwową błonę białkowo-lipidową. Po związaniu się substancji sygnalizacyjnej z zewnątrzkomórkową częścią receptora dochodzi do zmiany konformacji jego części wewnątrzkomórkowej, co umożliwia oddziaływanie z białkiem G. Najbardziej znanym receptorem o takiej budowie jest receptor b₂, lecz podobnie zbudowane są też inne receptory adrenergiczne, większość cholinergicznych, receptory histaminowe i wiele innych.

Wszystkie białka G mają podobnie, jak receptory z nimi związane identyczny plan budowy i tworzą rodzinę trójpodjednostkowych, homologicznych białek wiążących i hydrolizujących GTP. Złożone są mianowicie z 3 podjednostek: a, b i g. Klasyfikacja białek G zaproponowana przez Heplera i Gilmana oparta jest na właściwościach podjednostki a. Zgodnie z tym podziałem wyróżnia się cztery typy białek G: G_s, G_i, G_q i G₁₂.

Nie wdając się w szczegółowe różnice pomiędzy tymi typami stwierdzić można, że podjednostka a w stanie niepobudzonym połączona jest z cząsteczką GDP, co powoduje, że białko G jako całość jest nieaktywne (o czym była mowa w poprzedniej części tego opracowania). Związanie ligandu przez receptor prowadzi do wymiany cząsteczki GDP na GTP. Powoduje to rozpad białka G na dwie składowe – kompleksy a-GTP i bg, które mogą swobodnie dyfundować w płaszczyźnie błony komórkowej. Oba powstałe kompleksy, które są aktywne, oddziaływać mogą z kolei z innymi cząsteczkami białkowymi, rozlokowanymi w błonie komórkowej, a te przenoszą sygnał jeszcze dalej do ostatecznych miejsc przeznaczenia, tworząc opisywane w poprzednim odcinku kaskady sygnalizacyjne.

Czas funkcjonalnej aktywności składowych białek G jest uwarunkowany wewnętrzną zdolnością podjednostki a do hydrolizy związanego z nią GTP z powrotem do GTP. Gdy hydroliza ta dojdzie do skutku, cząsteczki a oraz bg łączą się ponownie w nieaktywne biologicznie białko G.

Przy okazji warto zauważyć, że aktywność receptora utrzymuje się tak długo, jak długo związana jest z nim cząsteczka sygnałowa, co wiąże się z kolei z możliwością „równoczesnej” aktywacji nawet tysięcy cząsteczek białek G, prowadząc do amplifikacji odebranego sygnału.

Białkami docelowymi dla aktywnych składowych białek G mogą być kanały jonowe lub enzymy zlokalizowane w błonie komórkowej.

W tym przypadku po związaniu się fragmentu białka G dochodzi do otwarcia lub zamknięcia kanału jonowego. Dobrym przykładem jest tutaj mechanizm regulacji częstości akcji serca przez układ przywspółczulny. Uwolniona acetylocholina wiąże się z receptorem M, aktywacji i rozpadowi ulega białko G, a powstały na tej drodze kompleks bg łączy się z cytoplazmatycznym fragmentem kanału potasowego komórki mięśnia sercowego, powodując jego otwarcie. Na skutek powstałych przemieszczeń jonowych dochodzi w następstwie do zwolnienia akcji serca. Hydroliza GTP związanego z cząsteczką a powoduje ponowne przejście białka G w stan nieaktywny, a kanał jonowy ulega zamknięciu.

Innym przykładem kanałów jonowych regulowanych przez białka G są kanały maxi-K, w obrębie mięśniówki gładkiej drzewa oskrzelowego. Związanie b₂-agonisty przez receptor prowadzi do zamknięcia tych kanałów. Prowadzi to do wzrostu stężenia potasu w komórce, przez co staje się ona mniej wrażliwa na inne bodźce mogące wywołać jej skurcz. Pośrednio prowadzi to też do spadku stężenia potasu w surowicy krwi, co jest znanym objawem ubocznym obserwowanym po zastosowaniu b₂-agonistów.

Najczęstszymi enzymami docelowymi dla białek G są cyklaza adenylowa i fosfolipaza C.

W przeciwieństwie do bardzo szybkiej odpowiedzi komórki po oddziaływaniu białek G z kanałami jonowymi, po ich związaniu się z enzymem, odpowiedź ta jest znacznie wolniejsza i bardziej złożona, gdyż stanowi najczęściej dopiero początek całej, często złożonej kaskady sygnalizacyjnej.

Z udziałem cyklazy adenylowej odbywa się, np. przekazywanie sygnału z receptora histaminowego H₂. Przykładem leków pobudzających receptor na tej zasadzie są też b₂-mimetyki.

Oddziaływanie receptora metabotropowego na cyklazę adenylową po ich związaniu, prowadzi do gwałtownego wzrostu w komórce stężenia cyklicznego AMP (cAMP). Ponieważ cAMP jest dobrze rozpuszczalny w wodzie, może z miejsca powstania z łatwością dyfundować do różnych rejonów komórki. Swego rodzaju przeciwieństwem cyklazy adenylowej jest ustawicznie aktywny w komórce enzym – fosfodiesteraza cAMP, powodująca rozpad CaMP do 5´-AMP. Enzym ten hamowany jest przez metyloksantyny (teofilina), co tłumaczy ich działanie w astmie oskrzelowej, gdyż wzrost poziomu cAMP w komórce mięśnia gładkiego oskrzeli prowadzi zawsze do jego rozkurczu (odwrotnie niż wzrost cGMP). cAMP powodować może ponadto cały szereg innych efektów biologicznych, takich jak rozpad glikogenu, rozpad trójacylogliceroli, przyspieszenie akcji serca, wzrost wydzielania kortyzolu i inne. Spowodowane jest to oddziaływaniem cAMP na dalsze składowe kaskady sygnalizacyjnej.

Jedną z najważniejszych z tych składowych jest kinaza białkowa A (kinaza białkowa zależna od cyklicznego AMP), która pod wpływem cAMP ulega uwolnieniu z nieczynnego kompleksu i aktywacji. Taka aktywna kinaza prowadzić może z jednej strony do fosforylacji reszt treoniny i seryny w innych białkach enzymatycznych, wpływając na ich aktywność (dość szybki efekt ostateczny), z drugiej zaś strony przez fosforylacje regulatorowych białek genów wpływać może na ich transkrypcję (wolny efekt ostateczny).

Aktywacja fosfolipazy C jest alternatywną, w stosunku do aktywacji cyklazy adenylowej, drogą przekazywania informacji z receptora metabotropowego. Na tej zasadzie przekazywany jest np. sygnał za pośrednictwem receptora histaminowego H₁ oraz receptorów muskarynowych M₁ i M₃.

Fosfolipaza C powoduje rozkład obecnego w wewnętrznej warstwie błony komórkowej fosfolipidu – fosfatydyloinozytolu, na dwie składowe: trójfosforan inozytolu (IP₃) oraz dwuacyloglicerol (DAG). DAG jest cząsteczką lipofilną i dlatego pozostaje związany z błoną komórkową. W obrębie tej błony aktywuje przy współudziale jonów wapnia specyficzną dla siebie kinazę białkową C, która analogicznie do opisywanej poprzednio kinazy białkowej A fosforylować (a więc uaktywniać) może szereg białek wewnątrzkomórkowych.

IP₃ jako cząsteczka hydrofilna, w przeciwieństwie do DAG, z łatwością dyfunduje do cytozolu, gdzie w obrębie retikulum endoplazmatycznego wiąże się z kanałami wapniowymi otwierając je. Wapń (w formie Ca²⁺), którego stężenie w obrębie komórki w następstwie tego znacznie wzrasta, jest jedną z najważniejszych wtórnych cząsteczek sygnałowych. Z reguły na kolejne substraty wapń nie oddziaływuje jednak bezpośrednio, lecz za pośrednictwem całego szeregu białek określanych jako białka wiążące wapń. Najlepiej poznanym białkiem tego typu jest kalmodulina, obecna w obrębie wszystkich komórek organizmu cząsteczka, o hantlowatym kształcie. Kalmodulina przyłączając jony wapnia zmienia swą konformację, co umożliwia jej wiązanie się i oddziaływanie na funkcję licznych innych białek enzymatycznych. Szczególnie ważną ich grupę stanowią kinazy CaM, enzymy zdolne do wpływania na liczne procesy komórkowe przez fosforylowanie wybranych białek. Ten typ kinaz odpowiedzialny jest m.in. za procesy zapamiętywania.

Choć opisane w tej części receptory metabotropowe są wolniejsze w działaniu od receptorów związanych z kanałami jonowymi, to również w tej grupie znajdują się receptory bardzo szybkie, jak np. fotoreceptory rodopsynowe w oku, odpowiedzialne za odczuwanie obecności światła, czy też receptory smaku i zapachu. Za procesy zachodzące w organizmie, które nie wymagają tak szybkiej reakcji, odpowiedzialna jest m.in. trzecia główna klasa receptorów powierzchni komórki – receptory katalityczne. Zostaną one omówione w kolejnej, czwartej części tego opracowania.