• Рецепторы существуют в активной и неактивной конформации
• Связывание лиганда переводит рецептор в активную конформацию
В функционировании рецепторов центральным является вопрос, каким образом связывание сигнальной молекулы с соответствующим доменом увеличивает активность эффекторного домена. Ключевым моментом при этом является существование рецептора в нескольких молекулярных конформациях, некоторые из которых активны в передаче сигнала, а некоторые неактивны.
Лиганды сдвигают равновесие, в котором находятся эти конформации. Выяснение структурных изменений, которые происходят при переходе рецепторов в активную форму и обратно, а также роли связывания лигандов в этих процессах, относится к числу увлекательных разделов биофизики. Впрочем, в основном эти процессы можно описать в терминах сопряжения конформационной изомеризации доменов связывания лиганда и эффекторных доменов.
Каким образом лиганды активируют (или не активируют) рецептор? В большинстве случаев активность рецептора можно описать в рамках простой схемы, учитывающей существование рецептора в двух взаимосвязанных конформациях, неактивной (R) и активной (R*).
Обе конформации находятся в равновесии, для которого характерна константа равновесия J.
Поскольку свободные рецепторы обычно обладают минимальной активностью, J << 1, и такой рецептор большую часть времени пребывает в состоянии R. При связывании сигнальной молекулы (L) рецептор приобретает активную конформацию, R*, в которой начинает функционировать эффекторный домен.Таким образом, рецептор, связанный с лигандом большую часть времени, находится в активном состоянии, R*.
Активация рецептора лигандом является следствием проявления его относительного сродства к активной и неактивной конформации рецептора. Лиганд может связаться с рецептором, находящимся в любой конформации, определяемой константами ассоциации К для состояния R и К* для состояния R*. Любой лиганд, который обладает большим сродством к конформации R*, чем к R, будет активировать рецептор. Если значение К* выше, чем К, лиганд является агонистом.
Согласно второму закону термодинамики, система, находящаяся в сопряженном равновесии, обнаруживает независимость направленности: разница в величине общей свободной энергии между двумя состояниями системы не зависит от промежуточных реакций. Применительно к рецептору, это означает, что любая направленность процесса от R к R*L характеризуется одинаковым изменением величины свободной энергии и произведения констант равновесия одинаковы для каждого направления. В вышеприведенном примере независимость направленности процесса означает, что J*K* = K*JT
Поэтому J*/J = K*/K.
Таким образом, если связывание лиганда предпочтительно происходит с рецептором в конформации R* (т. е. К*/К >> 1), то при этом конформация в такой же степени сдвигается в сторону состояния R* (т. е. J*/J >> 1). Относительная активация насыщающей концентрацией лиганда J*/J будет точно соответствовать относительной селективности лиганда по отношению к активной конформации рецептора К*/К Эти выводы сохраняют свою силу при регуляции активности белка любым регуляторным лигандом.
Предложенная модель позволяет просто и количественно объяснить многие свойства рецепторов и лигандов.
• Во-первых, для того чтобы существовало состояние равновесия, величина J должна быть больше нуля.
Таким образом, даже рецептор, не содержащий лиганда, обладает некоторой активностью. При гиперэкспрессии рецепторы часто проявляют низкий уровень активности.
Поскольку в отсутствие лиганда физиологические рецепторы практически неактивны, величина J должна быть значительно меньше 1 и, вероятно, меньше 0,01; большинство рецепторов в отсутствие агониста проявляют менее 1% активности.
По селективности лиганды варьируют между R и R*. Также они обладают различной способностью к активации. Некоторые лиганды, которые являются агонистами, могут обеспечить высокие значения R. Другие, известные как частичные агонисты, обеспечивают почти максимальную активацию. Изменение структуры лиганда часто меняет его активность в качестве агониста. На рисунке ниже представлена различная активность лигандов.
С помощью представленной простой модели можно описать различную функциональную активность рецепторов и их лигандов, исходя из двух состояний.
Слева представлена относительная активность рецептора в присутствии двух агонистов, обладающих различным сродством, и одного частичного агониста.
Справа показан эффект обратного агониста. Если низкая относительная активность свободного рецептора сопровождается существенной биологической активностью,
то легко определить степень его ингибирования обратным агонистом.
Лиганд, который одинаково связывается с рецептором, находящимся в конформации R и R*, не приводит к его активации. Однако такой лиганд может занимать сайт связывания и конкурентно ингибировать связывание активирующего лиганда. Такие конурентные ингибиторы называются антагонистами и часто используются в качестве лекарственных препаратов для блокирования нежелательной активации рецептора при различных заболеваниях. Лиганд, который предпочтительнее связывается с R, а не с R*, сдвигает конформационное равновесие в сторону неактивного состояния и оказывает ингибирующий эффект.
Такие лиганды называются обратными агонистами. Поскольку величина J уже низка, эффект обратных агонистов заметен только при гиперэкспрессии рецептора или при наличии мутации, увеличивающей его собственную активность (т. е. мутации, которая увеличивает J).
• Величина стимуляции рецептора агонистом не связана со степенью его сродства. Агонисты и антагонисты могут обладать как высоким, так и низким сродством к рецепторам. Чувствительность рецепторов не определяется их сродством и представляет собой значение минимальной концентрации лиганда, которую может узнавать рецептор. Сродство рецепторов к природным регуляторным лигандам существенно варьирует. Так, величина Kd может достигать значений от < 10-12 М для некоторых гормонов, до 10-3 М для некоторых хемоаттрактантов бактерий.
Еще один аспект чувствительности рецептора определяет, насколько резко увеличивается его активация при увеличении концентрации агониста. Предложенная модель предполагает, что рецептор существенным образом активируется при концентрации агониста между 0,1- и 10-кратным значениями Kd. Разнообразные клеточные механизмы могут изменять в таком обычном диапазоне концентраций различные клеточные механизмы, обеспечивающие примерно 100-кратный ответ рецептора. Он может развиваться постепенно или иметь резкий характер.
• Предложенная модель описывает только состояние равновесия. Она не позволяет предсказывать скорость связывания либо освобождения лиганда или же конформационную изомеризацию, которая приводит к активации рецептора.
Модель демонстрирует, как можно независимо оценить три важных аспекта действия рецепторов. Как отмечалось выше, сродство к лиганду, определяемое диапазоном концентраций, при которых функционирует лиганд, не зависит от его общей эффективности в качестве активатора. Степень ответа также большей частью не зависит от двух этих свойств. Таким образом, каждый аспект функционирования рецептора может регулироваться независимо в ответ на другие поступающие сигналы или при изменении клеточного метаболизма. Такой контроль за передачей сигналов играет ключевую роль.
Во многих статьях на сайте мы периодически будем возвращаться к механизму контроля за внутриклеточной системой передачи сигнала.
