Действие лекарств на клетки

ДЕЙСТВИЕ ЛЕКАРСТВ НА КЛЕТКИ

Большинство молекулярных мишеней связано различными биохимическими механизмами с компонентами клеточного ответа (G-белки, ферменты, ионные каналы и др.). Эти реакции связывания называют трансдукцией.

G-белок-связанная трансдукция

G-белки — это молекулы, связанные непосредственно со специфической группой рецепторов или опосредованно с другими молекулярными мишенями. Активированный G-белок инициирует (или подавляет) разные каскады клеточных реакций, что в итоге изменяет функцию ионных каналов, ферментов, ДНК и других компонентов клетки, например открытие К+-канала в сердечной мышце после связывания ацетилхолина с мускариновым рецептором или увеличение активности протеин-киназы после связывания адреналина с β-адренорецептором.

Рис. 2.25 Пример трансдукции, инициированной ферментом.

G-белок состоит из трех субъединиц — а, β и у— и работает как переключатель сигналов клетки (рис. 2.25)

При активации агонистом G-белок-связанного рецептора конформационные изменения в рецепторе обусловливают активацию G-белка, что приводит к выходу гуанозиндифосфата и связыванию гуано-зинтрифосфата (ГТФ) с а-субъединицей и диссоциации этой субъединицы от гетеродимера βу. а- и βy-субъединицы активируют компоненты трансдукции. а-Субъединица гидролизует ГТФ до ГДФ, который, в свою очередь, инактивирует а-субъединицу, способствуя восстановлению ее связи с βу-комплексом и инактивации G-белка.

Стимуляция или ингибирование G-белка ведет к модуляции ферментных систем, ответственных за продукцию следующих компонентов трансдукции (иногда их называют вторичными мессенджерами):

• циклических нуклеотидов;
• диацилглицерола;
• инозитолфосфата.

Например, активация β2-адренорецептора активирует G-белок. Это, в свою очередь, активирует аденилилциклазу — фермент, катализирующий образование цАМФ. Трансдукция протекает путем активации цАМФ за счет протеинкиназы и фосфорилирования ферментов, типы которых зависят от вида ткани.

В клетках существует несколько подтипов G-белков. а-Подтип определяет главные свойства G-белка. Например, β-адренорецепторы обычно взаимодействуют с G-белками, несущими аs-субъединицы, которые активируют аденилилциклазу.

Описание к рис. 2.25 Пример трансдукции, инициированной ферментом. Ферменты фосфодиэстеразы (а) участвуют в обмене циклических нуклеотидов (например, цАМФ). Эта группа ферментов ингибируется теофиллином. Ингибирование ведет к накоплению циклических нуклеотидов в клетке (б). Следует учесть, что циклические нуклеотиды накапливаются в ответ на действие препаратов на ферменты нуклеотидциклазы, связанные с С-белком. АМФ — аденозинмонофосфат; АТФ — аденозинтрифосфат; цАМФ — циклический аденозинмонофосфат.

Са2+-связанная трансдукция

Мобилизация внутриклеточного Са2+ как вторичного мессенджера — последнее звено в цепи реакций, продуцирующих компоненты трансдукции.

Ион Са2+ вовлечен в трансдукцию в следующих процессах:

• сокращение гладких мышц;
• ускорение сокращения и расслабления кардио-миоцитов;
• секреция трансмиттеров и железистая секреция;
• выброс гормонов;
• цитотоксичность;
• активация некоторых ферментов.

Мобилизация Са2+ связана с активностью других компонентов трансдукции. Са2+ накапливается в эндоплазматическом ретикулуме гладких мышц и выходит при действии IР3 на специфический РСК, называемый IР3-рецептором.

Выброс ДАГ происходит при прямом действии фосфолипазы С (или D) на активность мембраносвязанной протеинкиназы С, которая обеспечивает фосфорилирование остатков серина и треонина и последующую активацию более 50 различных белков. Существует как минимум шесть типов протеинкиназы С, каждый из которых имеет субстратную специфичность.

Действие важных G-белков

• Gs стимулирует адеиилилциклазу и активирует Са2+-каналы
• Gi ингибирует адеиилилциклазу и активирует К+-каналы
• Gq активирует фосфолипазу С
• Go ингибирует ток Са2+
• Gt стимулирует адеиилилциклазу глаза
• Gdf стимулирует адеиилилциклазу носа
• β-, а-субъединицы активируют многие компоненты трансдукции

Трансдукция, связанная с протеинкиназой С

Протеинкиназа С является важным компонентом трансдукции в следующих реакциях:

• модуляции выброса эндокринных гормонов и нейротрансмиттеров;
• сокращения гладких мышц;
• воспаления;
• ионного транспорта;
• роста опухолей.

Трансдукция, инициируемая ДНК-связанными рецепторами

Активация ДНК-связанной трансдукции влечет изменение синтеза белка. Например, стероиды перемещают HSP90 и образуемый комплекс стероид-рецептор в ядро. В ядре комплекс стероид-рецептор может различать специфические последовательности оснований и активировать специфические гены. Этот процесс идет медленнее, чем миллисекундные ответы, наблюдаемые при других формах трансдукции. Например:

• глюкокортикостероиды увеличивают продукцию липокортина, что объясняет их противовоспалительное действие;
• минералокортикостероиды увеличивают в почках продукцию специфических молекул, вовлеченных в тубулярный транспорт ионов Na+ и К+.

Трансдукция, инициируемая рецепторами с тирозинкиназной активностью

Активация тирозинкиназных рецепторов обеспечивает аутофосфорилирование остатков тирозина, которые служат селективными центрами для разных внутриклеточных белков. Фосфорилированный рецептор действует как платформа для связывания других белков, что ведет к фосфорилированию и активации сложных реакций через каскад других протеинкиназ. Многие из образуемых реакций сходны с реакциями, инициируемыми G-белками.

Многие тирозинкиназные рецепторы несут связывающие центры для других белков, вовлеченных в сигнальную трансдукцию. Один из таких связывающих центров называют SH2. Присоединение неактивного фермента к SH2 ведет к высокоселективной активации фермента. Часто активированные ферменты вовлечены в транскрипцию генов. Ряд протеинкиназ, IР3 и Са2+ могут участвовать в промежуточных этапах трансдукции. Многие факторы роста действуют посредством этого механизма. В связи с этим интерес представляет разработка препаратов, взаимодействующих с SH2 или повторяющих активность SH2, т.к. эти препараты влияют на рост и дифференцировку клеток, поэтому возможно применение таких препаратов при злокачественных опухолях, иммунологической патологии и других заболеваниях. К протеинам, участвующим в трансдукции через тирозинкиназные рецепторы, относят небольшой G-белок ras.

Трансдукция, инициируемая РСК

Когда РСК инициирует трансдукцию, запускаются реакции вследствие изменения потенциала мембран, связанного с увеличением (или уменьшением) проницаемости к тем ионам, которые проходят через РСК. Таким образом, трансдукция начинается с изменения заряда, что ведет к деполяризации или гиперполяризации мембраны. Типичной локализацией РСК является плазматическая мембрана, но РСК также найдены в митохондриях и других внутриклеточных органеллах.

Изменение мембранного потенциала может прямо модулировать функцию ткани. В скелетных мышцах активация никотиновых РСК деполяризует мембрану концевой пластинки, а следовательно, и саркоплазматического ретикулума (после генерации потенциала в сарколемме), что приводит к выходу Са2+ в цитоплазму и сокращению мышц.

Примеры интеграции клеточного и молекулярного механизмов

Рис. 2.26 Несколько типов траисдукции могут привести к фосфорилированию белков.

Некоторые примеры интеграции молекулярного и клеточного механизмов описаны далее (рис. 2.26). Скорость трансдукции и проявление тканевого ответа определяются молекулярной мишенью (рецептором) и механизмом трансдукции. Эта скорость определяет начало тканевого ответа. Например:

Рис. 2.27 Взаимосвязь молекулярных и клеточных механизмов

• взаимодействие агониста с РСК приводит к быстрой (миллисекунды) клеточной деполяризации или гиперполяризации;
• взаимодействие агониста с G-белок-связанным рецептором может привести к одному из многих ответов, длящихся секунды;
• взаимодействие препарата непосредственно с ферментом может привести к изменениям в течение нескольких минут;
• взаимодействие препарата непосредственно с ДНК может изменить экспрессию генов и синтез нового белка в течение нескольких часов. Примеры интеграции между молекулярными и клеточными ответами показаны на рис. 2.26, 2.27, 2.28.

Рис. 2.28 Пример трансдукции, ассоциированной с рецептор-связанным ионным каналом

Описание к рис. 2.26 Несколько типов траисдукции могут привести к фосфорилированию белков. Циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) и фосфатидилинозитол являются важными компонентами трансдукции (вторичные мессенджеры). Продукция цАМФ возрастает в ответ на активацию многих С-белок-связанных рецепторов (например, активацию а2- или Рррецепторов адреналином, как показано в центре рисунка, вследствие агонизма к p-адренорецептору). Протеинкиназы (например, протеинкиназа А), активированные цАМФ, являются вторичными мессенджерами, участвующими в клеточном ответе. Определенные типы агонизма (например, активация а2-адренорецептора) ведут к ингибированию продукции цАМФ из-за активации ингибиторных G-белков (Gi) (верхняя левая часть рисунка). Фермент фосфолипаза С (локализованная на клеточной мембране) активируется агонистом, продуцируя вторичные мессенджеры lns(l,4,5)P3 (инозитол-1,4,5-трифосфат, 1Р3) и диацилглицерол (ДАГ) (правая часть рисунка). Внутриклеточный 1Р3 выводит внутриклеточный Са2+, в то время как ДАГ остается на мембране, где активирует протеинкиназу С. 1Р3 подвергается последующему дефосфорилированию внутриклеточными фосфатазами с образованием IP2, IP и инозитола, который затем может быть заключен в мембрану с образованием фосфатидилинозитола (PI), который фосфорилируется через аденозинтрифосфат (АТФ) до фосфатидилинозитолдифосфата (Р1Р2). Переход 1Р3 и ДАГ в PI блокируется литием, который истощает инозитоловые липиды в мозге. Литий используют как средство лечения маниакальных депрессий (см. главу 8). Gs — стимулирующий G-белок.

Описание к рис. 2.27 Взаимосвязь молекулярных и клеточных механизмов, (а) Очень быстрая трансдукция, ассоциированная с рецептор-связанными каналами, (б) Быстрая трансдукция, связанная с С-белком. (в) Медленная трансдукция, связанная с ферментами и насосами, (г) Очень медленная трансдукция, связанная с дезоксирибонуклеиновой кислотой. мРНК — матричная рибонуклеиновая кислота.

Описание к рис. 2.28 Пример трансдукции, ассоциированной с рецептор-связанным ионным каналом, (а) В ответ на электрический импульс, поступающий с нервного окончания, везикулы с ацетилхолином (АХ) сливаются с мембраной терминальной пластинки, что ведет к выбросу АХ в синаптическую щель, (б) АХ связывается с рецептором в участке а-субъединицы рецептор-связанного канала (РСК), вызывает его открытие и, как следствие, вход Na+ и выход К+, что ведет к локальной деполяризации (в). Деполяризация инициирует трансдукцию, которая ведет к открытию Na+-n3K в соседних участках мембраны скелетных мышц, вызывая дальнейший вход Na+ и запуская обширную деполяризацию, активацию Са2+-ПЗК и сокращение мышечных волокон (г). ПЗК — потенциал-зависимый канал.