Связывание лиганда изменяет конформацию рецептора
Основные положения:
- Рецепторы существуют в активной и неактивной конформации.
- Связывание лиганда переводит рецепторв 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 конформации рецептора (R) и активной конформации рецептора (R*) .
Обе конформации находятся в равновесии, для которого характерна константа равновесия J. Происходит
обратимая реакция R в R* с константной 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* ( рис. 18.01 ).
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 * J*
Поэтому J*/J = К*/К.
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*. Кроме того, 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 рис. 18.3 представлена различная активность лигандов.
- 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 лиганды-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 меньше 10 в степени минус 12 М для некоторых гормонов , до 10 в степени минус 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. На протяжении всей главы мы периодически будем возвращаться к механизму контроля за внутриклеточной системой передачи сигнала.
Смотрите также:
