Агрегация рецепторов и каналов

Каждый рецептор образован полипептидной цепью, которая соединят внешнюю и внутреннюю среды клетки. Внеи внутриклеточные части этого интегрального белка в основном гидрофильны, а соединяющие их внутримембранные участки — гидрофобны. Эти гидрофобные участки цепи закручивается в спирали, образуя один или несколько трансмембранных доменов. Семь таких спиралей ТМ1-ТМ7, характерных для GPCR рецепторов, показаны на рис. 1А.

Они соединяют внеи внутриклеточную части молекулы. Внешняя ее часть, взаимодействующая с медиаторами, имеет участки-сенсоры, которые определяют специфику рецепции. Биохимическими и генетическими методами выявлены молекулярные конструкции цепей многих рецепторов, определены места связывания с агонистами, антагонистами и блокаторами, выяснены конформационные механизмы рецепции на внеклеточной стороне мембраны. На стороне цитоплазмы определены участки-эффекторы, активные группы которых инициируют выходные реакции, в том числе, катализ второго посредника. Молекулярные группы на исполнительной стороне мембраны определяют также характер сигнализации. От них зависит выбор метаболической реакции, например потенциации усилительного механизма клетки или запуск спайка.

В приведенном примере межспиральные участки рецептора соединяются тремя внешними и тремя внутриклеточными петлями. Они и длинные концевые части молекулы стелятся по обеим сторонам мембраны, формируя вторичные структуры на поверхности раздела фаз. Амфифильные и гидрофобные аминокислотные остатки этих цепей частично погружены в билипидный матрикс (БЛМ) с обеих его сторон, а гидрофильные — препятствуют полному погружению. Поэтому цепи расщепляются на подслои, растягивая полипептидные связи: гидрофильные участки удерживаются в водных фазах снаружи и внутри клетки, а гидрофобные — погружаются в БЛМ с обеих его сторон навстречу друг другу. Рис. 1А схематизирует такое расщепление и показывает, что погруженные подслои сближаются в БЛМ и могут трансмембранно взаимодействовать с такими же цепями смежных рецепторов.

Подвижность боковых групп белковой цепи не зависит от ее вторичной структуры. Сближаясь в центре БЛМ, погруженные подслои взаимодействуют с противолежащими подслоями смежных рецепторов. Глубина погружения зависит от гидрофобности аминокислотных остатков, их чередования в пептидной цепи, трансмембранного взаимодействия с оппозитными остатками, ионизации соответствующих пар и мембранного потенциала. Наиболее глубоко погружаются звенья, не перемежающиеся гидрофильными остатками. Например, большая часть молекулы бактериородопсина «тонет» в БЛМ. Погружение можно углублять, нейтрализуя часть внемембранных зарядов протонами (понижением pH). Кальциевые и другие бивалентные ионы, не только нейтрализуют эти заряды, но перезаряжают участки положительно, и они могут погрузиться дополнительно на величину этого иона (аналог гиперполяризации мембраны). Кальций-связывающие участки рецептора влияют на его конформационную активность. То же происходит на стороне цитоплазмы. Встречное погружение внутримембранных цепей может удвоить их сближение и усилить трансмембранное взаимодействие. В результате возможна дополнительная ионизация цепей. Трансмембранное взаимодействие смежных рецепторов объединяет их в кластеры. Оно же влияет на их конформационные свойства.

Взаимодействуя, участки молекулы образуют вторичные и третичные структуры. В одиночном рецепторе наиболее сильно взаимодействуют через мембрану длинные концевые цепи доменов ТМ1 и ТМ7.

Они могут замкнуть часть молекулы в кольцо, где оказываются остальные домены. Их более короткие междоменные цепи связываются слабее, образуя структуры близкие к гексагональным. Пары мономеров ТМ1-ТМ7 способны к димеризации. Смежные рецепторы с разобщенными концевыми группами доменов ТМ1 и ТМ7 могут взаимодействовать сильнее, образуя кольцо из 14-ти доменов. Они также образуют структуру близкую к гексагональной. Чем выше концентрация рецепторов в мембране, тем более вероятны большие рецептивные олигомерные структуры.

Они содержат сотни рецепторов и имеют размеры порядка 0.5−2 мкм. В гексагональной структуре каждый рецептор может контактировать с шестью смежными рецепторами, но часть этих связей может быть занята каналами.

Основной проблемой клеточной сигнализации является причинно-следственная связь между конформациями сенсорных и эффекторных цепей рецептора. Этот механизм исключительно важен не только для понимания функций рецепторов, но и каналов. Причину трансмембранной передачи сигналов обычно усматривают в конформациях промежуточного звена —спиральных протомеров, для чего анализируют их взаимное положение и взаимодействие зарядов. Наш подход отличается тем, что переориентация спиральных протомеров считается не причиной, а следствием прямого трансмембранного электростатического взаимодействия концевых и отчасти межспиральных цепей рецептора, точнее — их погруженных в БЛМ участков, несущих воротные заряды (ВЗ). Это взаимодействие охватывает смежные рецепторы, служит причиной их димеризации и олигомеризации, а также делает конформационные изменения объединенных молекул кооперативными. Недимеризованные рецепторы не способны управлять ионными каналами.

Молекулы ионных каналов (ИК) имеют сходные с рецепторами спиральные участки внутри мембраны и могут взаимодействовать с рецепторами и между собой по той же схеме. Аналогично ИК могут объединяться с рецепторами, образуя общие канально-рецептивные структуры. В них конформации рецепторов могут управлять каналами, хотя некоторые каналы, не окруженные рецепторами, способны самостоятельно изменять свои конформации.