Важнейшим этапом, контролирующим функцию клеток, является момент превращения внеклеточных сигналов во внутриклеточные. Существует две группы механизмов, обеспечивающих трансмембранную передачу сигнала. Они различаются по способности связываться с рецепторами наружной мембраны клетки: ряд сигнальных молекул связывается с ними, другие – нет.

Передача сигнала, не требующая наличия рецепторов на поверхности клетки. Относительно небольшое количество сигнальных молекул представлено веществами с низкой молекулярной массой или высокой степенью гидрофобности. В результате они достаточно легко преодолевают плазматическую мембрану за счет диффузии. Их классификация основана на особенностях взаимодействия с внутриклеточными компонентами. Выделяют две основные группы сигнальных молекул:

1. Сигнальные молекулы, взаимодействующие с внутриклеточными рецепторами. Наиболее известными представителями являются стероидные (кортизол, эстрадиол, тестостерон) и тиреоидные (тироксин) гормоны.

Пройдя через плазматическую мембрану, они связываются с белками, находящимися в цитозоле или ядре. Указанные рецепторные молекулы представляют собой генные регуляторные белки ( gene regulatory proteins ), изначально находящиеся в клетке в неактивном состоянии. Под действием гормонов они претерпевают большие конформационные изменения, что приводит к их связыванию с регуляторными участками цепочки ДНК. Как следствие, инициируется или прекращается транскрипция определенных генов.

Характерными особенностями данной группы веществ являются:

• большой латентный период действия: видимый эффект развивается спустя некоторое время (от 30 минут до нескольких часов), затрачиваемое на синтез новых белков;

• продолжительное действие: развившийся эффект может сохраняться в течение нескольких часов (дней), даже после того, как концентрация действующего вещества во внеклеточной жидкости снижается до нуля.

2. Сигнальные молекулы, напрямую изменяющие ферментативную активность белка. Самым известным представителем является монооксид азота (NO), относящийся к группе газообразных медиаторов. За счет своих малых размеров NO быстро пересекает мембрану и, попадая в цитозоль, взаимодействует с гуанилатциклазой, катализирующей образование цГМФ, важнейшего внутриклеточного посредника. В отличие от гормонов, эффект развивается в течение нескольких секунд и сохраняется не столь продолжительное время.

Передача сигнала, требующая наличия рецепторов на поверхности клетки. Большинство сигнальных молекул относится к гидрофильным высокомолекулярным веществам, неспособным пересекать цитоплазматическую мембрану ни путем диффузии, ни за счет каких-либо других систем транспорта. В этом случае рецепторы пронизывают мембрану, что дает им возможность распознать сигнал на ее наружной поверхности со стороны внеклеточного пространства и обеспечить его передачу внутрь клетки. При этом сигнальная молекула не переносится через мембрану.

Различают три больших семейства таких рецепторов:

1. Рецепторы, ассоциированные с ионными каналами (ионотропные рецепторы) – представляют собой трансмембранные канальные белки, открытие-закрытие которых контролируется присоединением соответствующего вещества (лиганд-управляемые ионные каналы). При этом передача сигнала происходит посредством изменения ионной проводимости мембраны. К естественным лигандам относятся многие нейромедиаторы: ацетилхолин, ГАМК, глицин и т. п.

2. Рецепторы, ассоциированные с мембран-связанными G-белками (метаботропные рецепторы) – взаимодействие с ними сигнальных молекул (таких как серотонин, ацетилхолин, пептиды и т. п.) приводит к запуску целого каскада биохимических превращений, вызывающих ответную реакцию клетки (подробнее см. ниже).

3. Рецепторы, ассоциированные с ферментами – связывание с сигнальной молекулой приводит к изменению каталитической активности фермента со стороны цитозоля. Данная группа рецепторов играет важную роль в формировании клеточного ответа на действие различных факторов роста (эпидермального, тромбоцитарного), инсулина и т. п.

Большинство трофических факторов выступает в качестве тканевых регуляторов, действуя в очень низких (10 –9 –10 –11 М) концентрациях. При этом клеточный ответ развивается в течение нескольких часов, поскольку связан с изменением экспрессии генов. В то же время белки внеклеточного матрикса или белки, прикрепленные к поверхности клеток, способны активировать эту группу рецепторов. В данном случае происходят быстрые перестройки цитоскелета, приводящие к изменению формы клетки.

Цитоплазматический домен рецепторного фермента обладает выраженной тирозин-киназной активностью, т. е. он катализирует реакцию присоединения высокоэнергетического фосфата (фосфорилирование) к тирозиновым участкам внутриклеточных белков, поэтому сам рецептор называют тирозин-киназным.

Для него характерно наличие только одного трансмембранного сегмента, представляющего собой обыкновенную α -спираль. Такая молекулярная организация не дает возможности реализовать конформационные изменения при связывании рецептора с лигандом. Поэтому активация тирозин-киназного рецептора осуществляется посредством другого, оригинального механизма Сигнальная молекула (димер сигнальных молекул) связывается с двумя рядом расположенными рецепторами, приводя к еще большему сближению их друг с другом. Контакт между ними стимулирует протеин-киназную активность, приводя к взаимному фосфорилированию рецепторов. Фосфорилированные по остаткам тирозина многочисленные участки рецепторного комплекса взаимодействуют с различными молекулами (от 10 до 20), переводя последние в активное состояние. В результате сигнал распространяется в клетке по многочисленным направлениям, приводя к активации и координации множества биохимических превращений, что лежит в основе таких комплексных ответов клетки, как дифференцировка и пролиферация.

Существует два пути инактивации тирозин-киназных рецепторов:

• посредством белковых тирозин-фосфатаз, отщепляющих фосфатные группы от цитозольных доменов рецептора;

• посредством эндоцитоза: при этом рецептор попросту переваривается протеолитическими ферментами лизосом.

Многие внутриклеточные посредники, активируемые тирозин-киназными рецепторами, широко представлены в разных клетках. В частности, фосфолипазы, которые активируют инозитол-фосфатную систему. Другим важным направлением распространения сигнала является регуляция экспрессии генов. Ряд молекул, активируемых связыванием с фосфорилированными протеинкиназными рецепторами, относится к сопрягающим белкам (adaptor proteins). В результате их взаимодействия с соответствующими молекулами происходит активация последних, что приводит к связыванию расположенных на внутренней стороне плазматической мембраны небольших, состоящих из одной субъединицы, белков (Ras-белки) с ГТФ. При этом активированный Ras-белок запускает каскадное фосфорилирование протеинкиназ, последняя из которых, в свою очередь, фосфорилирует белок, регулирующий экспрессию генов.

Ras-белки представляют собой ключевое звено клеточного ответа на действие тромбоцитарного фактора роста (plateled-derived growth factor, PDGF), обеспечивающего пролиферацию клеток при заживлении ран, и фактора роста нервов (nerve growth factor, NGF), предотвращающего, в частности, гибель некоторых нейронов в ходе развития. Гиперактивность Ras-белков может привести к неконтролируемой клеточной пролиферации, что лежит в основе развития онкологических заболеваний. В частности, в 30 % случаев рака у человека отмечаются мутации Ras-генов.