Repetitio est mater studiorum: рецептори

Една „средно интелигентна“ клетка има около 10 000 различни протеини и около един милиард протеинови молекули – 10-15 процента от тях участват в рецептор-медиираната сигнална трансдукция. Забележително е, че клетките могат да се справят с такъв огромен прилив на информация, която получават. Как в тази молекулна вселена сигналните молекули намират своите рецептори?

Биомолекулите имат уникалната способност да се разпознават едни други, да се свързват, да си взаимодействат и след това да се отделят. От тази молекулна любов се раждат клетъчни ефекти – смисълът на клетъчния живот. Саморазпознаващите се молекули са сигнални лиганди и рецептори.

Вещества, които се свързват с функционални домейни на протеини или други биомолекули, се наричат обобщено лиганди (лат. ligare – свързвам), но не всички лиганди са сиг­нални молекули. Сигнални молекули, които се свързват с рецептори, са сигнални лиганди, накратко – лиганди. Обаче не всички протеини, чиито функционални домейни се свързват с лиганди, са рецептори. Трансферинът, например, е свързан с железни йони (Fe³⁺), те са неговите лиганди, но той не е техен рецептор – той е преносвач на желязо в кръвната циркулация – като се свърже със своите рецептори, желязото по рецептор-медииран начин навлиза в клетките.

Хормоните са лиганди, свързващи рецептори на съответните ефекторни клетки – „хормоните лигират рецеторите си“. Свързването лиганд-рецептор е сходно, но не идентично на това на енизим със субстрат. Принципът на Емил Фишер (1852-1919) за key-and-lock при ензим-субстратното свързване в общи линии се отнася и за рецептор-лиганд. Следствието от това свързване е обаче съществено различно: ензимът катализира химическа реакция, от която се получава нов химически продукт, докато рецептор-лигандното свързване  осъществява сигнална трансдукция, от която се получава специфичен клетъчен ефект.

Фигура 1. Схематично представяне на структурата на рецептора за епидермален растежен фактор (EGF) (a). Свързването на EGF с рецептора води до неговата димеризация и авто-фосфорилиране на тирозиновите остътъци от тирозин киназите, разположени в ендодомейна на рецепторите (b).

Накратко, молекули, носещи сигнали и свързващи се с рецептори, са лиганди, а клетките, които реагират с ефекти, са ефекторни клетки (target cells). Например, концентрацията на хормони, цитокини и растежни фактори е сравнително много ниска в екстрацелуларното пространство – в порядъка на фемтомоли до наномоли 10^-15 – 10^-9 mol/L, а тази на други молекули е значително по-висока – микромоли до милимоли 10^-6 – 10^-3 mol/L, но рецепторите не се свързват с тях. Рецепторите на ефекторните клетки следователно „знаят“ или „чувстват, което е най-доброто знание“ (мисъл на Борхес) с кои лиганди да се свържат, въпреки че те са в много ниски концентрации.

Чрез рецепторите си клетките отговарят на физиологичните концентрации на лигандите, достигнали до тях. В същото време те имат механизми за предпазване от „свръх­атаки“ на лиганди, които са молекули с висок биологичен заряд и могат да оказват вредни действия върху клетките. Подобен предпазен механизъм се осъществява по следните начини:

• Колкото по-малко лиганди има около клетката, толкова повече рецептори се синтезират и инсерциират (посаждат) в плазмалемата – upregulation на рецептори – накратко, up-регулация.

• Колкото повече лиганди има около клетката, толкова по-малко рецептори се синтезират и инсерциират в плазмалемата – downregulation на рецептори – накратко, down-регулация. Затова казваме: инсулиновите рецептори са down-регулирани, което води до инсулинова резистентност и съответно до захарен диабет тип 2, въпреки наличието на нормални, дори увеличени кръвни нива на инсулин.

Плътността на рецептори (брой на единица площ) е най-висока в плазмалемата – по-точно в кавеоли, lipid rafts, клатрин-облечени везикули и мембраната на първични цилии (сензорни цилии, тип 9+0 микротубули) – те са receptor clustering centers на клетките.

Плазмалемалните рецептори са протеини, които са инсерциирани (лат. insero – посаждам) в плазмалемата. Те са молекулни „фиби“ (англ. hairpins), захванати в двата фосфолипидни слоя на плазмалемата. Фосфолипидите са амфифилни (амфипатични) молекули – всеки фосфолипид има (1) хидрофилна глава, разположена в периферията на билипидния слой, и (2) две хидрофобни опашки – в средата на билипидния слой. Как тогава един протеин ще се посади в хидрофобната среда на плазлалемата, а не в мембраните на митохондрии или транс-Голджи цистерни?

Мембранните протеини са също амфифилни молекули – хидрофобните (липофилните) им части са съставени от 30-50 аминокиселини; забележете, 9 от 20-те аминокиселини са липофилни. Тези 30-50 аминокиселини формират топогенни секвенции – нагънати като спирали в билипидния слой, те са трансмембранни протеини – инсерциирани са в плазмалемата и ендомембраните на принципа „всеки протеин на мястото си“. Тази молекулна навигация се нарича топогенеза на протеини – за нея Гюнтер Блобел получи Нобелова награда през 1999 г. и с парите от нея възстанови Frauenkirche в Дрезден и Paulinerkirche в Лайпциг.

Плазмалемалните рецептори имат три домейна:

• ектодомейн (външен участък) – има свързваща страна (binding side) за сигнални молекули (първични посредници – first messеngers).* Матриксни протеази могат да отделят ектодомейна на рецептора и той да навлезе в кръвната циркулация като разтворим рецептор. Такова обезглавяване, често наричано shedding (отпадане), води до down-регулация на рецепторите – лиганди се свързват с разтворимите рецептори, но това не предизвиква клетъчни ефекти.
• трансмембранен домейн – част от молекулата, която преминава през билипдния слой на плазмалемата – при много рецептори този участък е нагънат няколко пъти. Ако е нагънат 5 пъти, структурата на рецепторите се описва като пентахеликсна, 7 пъти – хептахеликсна – като цяло, трансмембранният домейн маже да е single-pass или multipass.
• ендодомейн (вътрешен, цитоплазмен участък) – често е с ензимна активност, тирозин-протеин киназа или серин/треонин-протеин киназа, действието на които инициира пренасянето на сигналите в клетката – настъпва рецептор-медиирана сигнална трансдукция: молекулна каскада (downstream) от вторични посредници (second messеngers),* които водят до клетъчни ефекти. Такива са рецепторите за инсулин и някои растежните фактори – съкратено се изписват Trk (tyrosine receptor kinase или tropomyosin-related kinase) – произнася се „трак“. В човешкия организъм има около 50 различни тирозин-киназни рецептори. Примерно, TrkA, TrkB и TrkC са рецептори съответно за NGF (nerve growth factor), BDNF (brain-derived neurotrophic factor) и neurotrophin-3 – преди 2-3 години писах в InSpiro за тяхното участие във физиологията и патологията на белия дроб.

Накратко, биологичната тракология изследва рецептор-медиираната сигнална трансдукция на тирозин киназните рецептори, като тези за инсулин, ефрин и растежни фактори (NGF, BDNF, NT-3, EGF, PDGF, FGF, VEGF, HGF, др.) (Фиг. 1). Днес има клинични опити с антитуморни лекарства-инхибитори на трак рецепторите, участващи в канцерогеназа^1-4 (Табл. 1). За класическата тракология като наука за Тракия и траките, говорите с проф. Иван Маразов – известен изследовател на тракийската култура, включително на културата на виното.

Табл. 1. Примери за противоракови лекарства, които инхибират трак-рецептори

 Тази таблица представя и данни от лекция, изнесена през 2009 г. от Ивелина Н. Станева – студентка в Медицински университет, София.

G-protein-coupled receptors (GPR) са най-многобройните рецептори в човешкия организъм. Те живеят в суперфамилия, съставена от 350 члена, от които за 150 не са известни лигандите – затова се наричат „,сираци“ (orphan receptors). GPR са свързани с G-протеини – G идва от guanosine triphosphate (GTP). Тези рецептори регулират много клетъчни процеси – техни лиганди са хормони, химиокини, медиатори на възпалението (простаноиди, левкотриени), невротрансмитери (адреналин, норадреналин, серотонин, допамин, хистамин, невропептиди, АТФ, АДФ), мастни киселини, канабиноиди, ендорфини и много други. Днес много лекарства са антагонисти или агонисти на GPR. За изследванията на G-протеините и ролята им в рецептор-медиираната сигнална трансдукция Алфред Гилман и Мартин Родбел получиха Нобелова награда през 1994 г.

Накратко, рецепторите са протеинови антени със селективен афинитет за сигнали, адресирани до ефекторните клетки. Рецептори има навсякъде в клетките – в плазмалемата, ендомембраните, цитозола, ядрото. И в кръвната циркулация – разтворими рецептори. Принципът е: лиганд-рецептор-трансдукция-ефект, при което една ефекторна клетка има рецептори за различни сигнални лиганди.

Литература:

1. Lee CK, Brown C, Gralla RJ, et al.Impact of EGFR inhibitor in non-small cell lung cancer on progression-free and overall survival: a meta-analysis. J Natl Cancer Inst 2013; 105:595-605. DOI: 10.1093/jnci/djt072.
2. Gao G, Ren S, Li A, et al. Epidermal growth factor receptor-tyrosine kinase inhibitor therapy is effective as first-line treatment of advanced non-small-cell lung cancer with mutated EGFR: A meta-analysis from six phase III randomized controlled trials. Int J Cancer 2012; 131:E822-829. DOI: 10.1002/ijc.27396.
3. Okamura K, Harada T, Wang S, et al. Expression of TrkB and BDNF is associated with poor prognosis in non-small cell lung cancer. Lung Cancer 2012; 78:100-106. DOI: 10.1016/j.lungcan.2012.07.011.
4. Sinkevicius KW, Kriegel C, Bellaria KJ, et al. Neurotrophin receptor TrkB promotes lung adenocarcinoma metastasis. Proc Natl Acad Sci USA 2014; 111:10299-10304. DOI: 10.1073/pnas.1404399111.

_____________

* Концепцията за second messengers в рецептор-медиираната сигнална трансдукция е въведена от Ърл Съдърланд (1915-1974) през 1956 г. Той установява, че свързването на адреналин с адренергични рецептори (адреноцептори) активира аденилат циклазата и образувания от нея цикличен аденозин монофосфат (cAMP) е вторичен посредник (second messenger) на адреналина (first messenger). На въпроса „Кой е Съдърланд?“, студентите по медицина и дентална медицина, както и пулмолозите, не би трябвало да отговарят: „Вероятно е носителят на големия трофей от последните конни състезания“, както това са направили минувачи по улиците на Нешвил, Тенеси в САЩ – няколко дни след като д-р Съдърланд е удостоен с Нобелова награда през 1971 г. те са били запитани от журналист „Кой е Съдърланд?“. Дотогава Нешвил, Тенеси е известен с конни състезания, Кенет Роджърс и други кънтри певци. За тях повече знае главният редактор на InSpiro.