Метаботропные рецепторы презентация

пространственно разделены с ионными каналами и обеспечивают непрямую синаптическую передачу.

Синаптический эффект таких рецепторов состоит в инициации метаболических каскадов, управляющих состоянием ионных каналов.

Эти рецепторы вызывают эффекты посредством взаимодействия с ГТФ-связывающими белками (G-белками), поэтому их еще называют рецепторами, сопряженными с G-белками (англ., G-protein coupled receptors).

В некоторых случаях непрямые механизмы модулируют эффективность прямой синаптической передачи (процесс нейромодуляции) – через ауторецепторы и эндоканабиноидные рецепторы на пресинаптических мембранах.

и изменения ионной проводимости) мембранные рецепторы подразделяют на
ионотропные и метаботропные.

кодирующих молекулы метаботропных рецепторов.

По гомологии кодирующих генных последовательностей у млекопитающих выделяют три «главных» подсемейства:

1) родопсинподобные
2) секретинподобные,
3) метаботропные глутаматные рецепторы.

См. далее таблицу

Two independent receptor families:
Taste 2 receptors (T2Rs)
Vomeronasal 1 receptors (V1Rs)

имеют сходное строение.

Кроме классических медиаторов некоторые метаботропные рецепторы активируются также
протонами,
Са2+,
аденозином,
АТФ,
простагландинами и другими липидами,
опиоидами и другими пептидами,
разнообразными белками,
светом,
различными одорантами
и вкусовыми веществами.

transmembrane domains were compared for each receptor. Distance determines the degree of relatedness.
r, rat; d, dog; h, human; tur, turkey; SRL, a putative serotonin receptor; and 5-HT, 5-hydroxytryptamine (serotonin).
Adapted from Linden (1994). Original tree construction was by William Pearson and Kevin Lynch, University of Virginia

(A, B, D), α2 (A, B, C), β1, β2, β3) - Adrenomedullin - Anaphylatoxin (C3a, C5a) - Angiotensin (1, 2) - Apelin - Bile acid - Bombesin (BRS3, GRPR, NMBR) - Bradykinin (B1, B2) - Cannabinoid (CB1, CB2) - Chemokine - Cholecystokinin (A, B) - Dopamine (D1, D2, D3, D4, D5) - Eicosanoid (CysLT (1, 2), LTB4 (1, 2), FPRL1, OXE, Prostaglandin ((DP (1, 2), EP (1, 2, 3, 4), PGF, Prostacyclin, Thromboxane) - Endothelin (A, B) - Estrogen - Formyl peptide (1, L1, L2) - Free fatty acid (1, 2, 3, 4) - FSH - Galanin (1, 2, 3) - Gonadotropin-releasing hormone (1, 2) - GPR (1, 3, 4, 6, 12, 15, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 25, 26, 27, 31, 32, 33, 34, 35, 37, 39, 42, 45, 50, 52, 55, 61, 62, 63, 65, 68, 75, 78, 79, 82, 83, 84, 87, 88, 92, 101, 119, 120, 132, 135, 139, 141, 142, 146, 148, 149, 150, 151, 152, 153, 160, 161, 162, 171, 172, 173, 174, 182) - Ghrelin - Histamine (H1, H2, H3, H4) - Kisspeptin - Luteinizing hormone/choriogonadotropin - Lysophospholipid (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) - MAS (1, 1L) - Melanocortin (1, 2, 3, 4, 5) - MCHR (1, 2) - Melatonin (1A, 1B)- Motilin - Neuromedin (B, U (1, 2)) - Neuropeptide (B/W (1, 2), FF (1, 2), S, Y (1, 2, 4, 5)) - Neurotensin (1, 2) - Opioid (Delta, Kappa, Mu, Nociceptin, but not Sigma) - Olfactory - Opsin (1SW) - Orexin (1, 2) - Oxytocin - PAF - Prokineticin (1, 2) - Prolactin-releasing peptide - Protease-activated (1, 2, 3, 4) - Purinergics (Adenosine (A1, A2a, A2b, A3), P2Y - Relaxin (1, 2, 3, 4) - Somatostatin (1, 2, 3, 4, 5) - Serotonin (5-HT1 (A, B, D, E, F), 5-HT2 (A, B, C), 5-HT (4, 5A, 6, 7) - SREB - TAAR (1, 2, 3, 5, 6, 8, 9) - Tachykinin (1, 2, 3) - Thyrotropin - Thyrotropin-releasing hormone - Urotensin-II - Vasopressin (1A, 1B, 2)

- CD97
Corticotropin-releasing hormone (1, 2)
EMR (1, 2, 3)
Glucagon (GR, GIPR, GLP1R, GLP2R)
Growth hormone releasing hormone
PACAPR1
GPR (56, 64, 97, 98, 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 123, 124, 125, 126, 128, 133, 143, 144, 157)
Parathyroid hormone (1, 2)
Secretin
Vasoactive intestinal peptide (1, 2)

4, 5, 6, 7, 8)
GPR (156, 158, 179) – orphan* G-protein-coupled receptors
RAIG (1, 2. 3. 4) - retinoic Acid-Inducible orphan G-protein-coupled receptors
Taste receptors (TAS1R, TAS2R)

* An orphan receptor is an apparent receptor that has a similar structure to other identified receptors but whose endogenous ligand has not yet been identified. If a ligand for an orphan receptor is later discovered, the receptor is referred to as an "adopted orphan”

и всесторонне изучен методами молекулярной биологии и классической фармакологии с широким использованием радиоактивных меченых лигандов, оказался β–адренорецептор.

В 2000 г. методом рентгеновской кристаллографии с высоким разрешением была получена трехмерная конфигурация родопсина, прототипа семейства родопсинподобных рецепторов, включающего β–адренорецептор.

Фосфорилирование нескольких оснований на третьей цитоплаз-матической петле и на карбоксиль-ном конце (например, цАМФ-зави- симой протеин киназой) вызывает десенситизацию рецептора.

Фосфорилирование карбоксильного конца (например, β-адрено-рецеп-тор-киназой) также приводит к десенситизации рецептора.

и внеклеточных петель.

a) родопсинподобные
b) секретинподобные,
c) метаботропные глутаматные рецепторы

(мАцХР), пуриновые, серотониновые рецепторы, а также многочисленные рецепторы пептидов и гормонов, подразделяемые на 19 подсемейств.

Относительно мелкие лиганды, такие как катехоламины, связываются в углублении, сформированном семью трансмембранными сегментами, а короткие пептиды взаимодействуют с внеклеточными петлями и N-терминалью, а также с трансмембранными сегментами.

Цистеиновый остаток на участке С-терминали, примыкающем к ТМ7, обеспечивает привязку рецептора к мембране.

Дисульфидный мостик между цистеиновыми остатками внеклеточных петель между ТМ2-ТМ3 и ТМ4-ТМ5 сегментами является характерным для большинства рецепторов этого семейства.

привязку рецептора к мембране.

Дисульфидный мостик между цистеиновыми остатками внеклеточных петель между ТМ2-ТМ3 и ТМ4-ТМ5 сегментами является характерным для большинства рецепторов этого семейства.

M3 isoform of mAChR. The NH2 terminus of the protein is at the left and extends into the extracellular space. The COOH terminus is intracellular and is at the right; i1 to i4 are the four intracellular domains. The conserved disulfide bond (-S-S-) connects extracellular loop 2 to 3. Dashes in the amino acid sequence represent inserts of various lengths that are not shown. Conserved amino acids for all members of the G-protein-coupled receptor family of receptors are marked in purple. Amino acids taking part in ACh binding to the receptor are highlighted in yellow. Note that all amino acids associated with ligand binding lie in approximately the same horizontal plane across the receptor.

вазоактивными интестициальными пептидами и гипофизарными белками, активирующими аденилатциклазу.

Лиганд-связывающие участки этих рецепторов локализованы на внеклеточных доменах, а их относительно длинная N-терминаль включает несколько цистеиновых остатков, которые образуют сеть дисульфидных мостиков.

ГАМКВ рецепторы.

Характеризуются длинными N- и С-терминалями. Лиганд-связывающий участок у mGluR локализован на N-терминалях двух субъединиц рецептора, которые связаны между собой дисульфидным мостиком.

Два цистеиновых остатка на внеклеточных петлях образуют дисульфидный мостик. Уникальной особенностью этого семейства рецепторов является короткая и высоко консервативная внутриклеточная петля ТМ5-ТМ6.

двух субъединиц GABABR1 и GABABR2.
Субъединица-мономер GABABR1 локализована в ЭПР (его удерживает С-терминаль).

Субъединица-мономер GABABR2 экспрессирована в клеточной мембране, но в мономерной конфигурации не функциональна (не связывается с агонистом).


Гетеродимер GABABR1/GABABR2 экспрессирован в клеточной мембране и является функциональным (способен связываться с агонистом).

связями.

Субъединица, входящая в состав комплекса, называется протомером. Субъединица вне комплекса называется мономером.

Рецепторы-гомо(олиго)меры состоят из идентичных протомеров,
рецепторы-гетеро(олиго)меры состоят из разных протомеров.

Олигомеризация метаботропных рецепторов

receptors were produced between α2AR (α2) and mAChR (M3) by swapping certain transmembrane domains through genetic engineering.

When α2/M3 or M3/α2 is expressed separately, they are not active. However, if both chimeric molecules are expressed in the same cells, they form receptors that can be activated by either epinephrine or muscarine.
Adapted from Salahpour et al., (2000).



A top-down view of how this domain swapping might occur when two molecules dimerize to produce receptors that can respond to both transmitters. Adapted from Lee et al., (2000).

activation of 5-HT2A by LSD elicits signaling characteristic of Gq/11-protein subtypes. In contrast, LSD acting at the 5-HT2A-mGlu2 receptor heterocomplex activates both Gq/11- and Gi/o-dependent signaling. Head-twitch behavior is reliably and robustly elicited by hallucinogenic 5-HT2A agonists, and is absent in mGlu2 knockout mice.

Димеризация метаботропных рецепторов

G protein-dependent signaling and behavioral responses that require a GPCR heterocomplex. Hallucinogenic drugs, such as lysergic acid diethylamide (LSD), mescaline and psilocybin, all have in common a high affinity for the serotonin 5-HT2A receptor. Metabotropic glutamate 2 receptor (mGlu2) and serotonin 5-HT2A receptor form a specific functional GPCR heterocomplex in mammalian brain and in tissue culture preparations. mGlu2 transmembrane domains 4/5 mediate association with the 5-HT2A receptor.

судорожное движение головой

A bivalent peptide with two distinct receptor-recognition sites might bind two different receptors simultaneously and induce receptor heterodimerization. If the two receptors pre-exist in an oligomeric state, the ligand might enhance the heteromeric conformation by crosslinking two receptors.

b. Dimeric ligands generated from two monovalent ligands. Similar to a bivalent ligand, a dimeric ligand that has an appropriate linker might induce or enhance dimerization of two receptors. It is plausible that homodimeric and heterodimeric ligands might selectively bind homomeric and heteromeric receptors, respectively.

физиологического ответа, несмотря на то, что лиганд остается связанным с рецептором.

Описано два механизма десенситизации:
- через фосфорилирование
- физическое удаление рецептора из мембраны

заключается в расцеплении рецептора и G-белка, что происходит в результате фосфорилирования рецептора протеин киназами С и А и G-белок-рецептор-киназой. Киназы активируются вторичными посредниками, которые синтезируются в результате функционирования рецепторов при их связывании с агонистами.

Рецептор может фосфорилироваться протеин киназой А даже если он не связан с агонистом (т.н. гетерогенная десенситизация).

G-белка.

При фосфорилировании G-белок-рецептор-киназой происходит связывание рецептора с белком аррестином, который устраняет связывание рецептора с G-белком.

При фосфорилировании G-белок-рецептор-киназой происходит связывание рецептора с белком аррестином.

Затем рецепторы подвергаются эндоцитозу и удаляются с поверхности мембраны.

на поверхность клеточной мембраны и в дальнейшем продолжает функционировать (рециклирование/ ресенситизация рецептора);

2) секвестируется (изолируется) в мембране эндосом, при дефосфорилировании освобождается от аррестина и рециклируется;

3) транспортируется в лизосомы, где происходит его деградация. При этом необходимо пополнение пула рецепторов путем их синтеза.

(1)

(2)

(3)

состоят из трех отдельных субъединиц (α, β и γ). Существует большое количество разновидностей каждой из субъединиц (20 α, 6 β и 12 γ), что создает основу для большого количества их комбинаций.

α-субъединица связывается с гуаниновыми нуклеотидами - либо с ГТФ, либо с ГДФ.

При связывании с ГДФ α-субъединица соединяется с β- и γ-субъединицами, формируя неактивный тример (αβγ).

и γ).

α-субъединица связывается с гуаниновыми нуклеотидами - либо с ГТФ, либо с ГДФ.

При связывании с ГДФ α-субъединица соединяется с β- и γ-субъединицами, формируя неактивный тример (αβγ).

GRK - G protein-coupled receptor kinases

рецептором, и в этом состоянии ГДФ на α-субъединице замещается на ГТФ.

В конфигурации с ГТФ (активированный G-белок) α-субъединица отделяется от димера βγ-субъединиц.

Вслед за активацией α-субъединица, связанная с ГТФ, и комплекс из βγ-субъединиц могут связываться с молекулами-эффекторами следующего порядка, обуславливающими разнообразные ответы клеток-мишеней.


GAP - GTPase-Activating Proteins

G-белками

Передают сигнал от активируемых внеклеточными агентами метаботропных рецепторов цитоплазматическим мишеням, таким как элементы цитоскелета и системы везикулярного транспорта. Такие малые G-белки впервые были открыты в вирусах. Ras – от rat sarcoma.

При связывании с ГТФ они активируют протеин киназы, которые передают сигнал в ядро. Это приводит к неконтролируемому росту клеток и развитию опухолей.

После этих открытий было идентифицировано большое число малых G-белков с разнообразными функциями. Например, некоторые из них задействованы в транспорте везикул в пресинаптических терминалях или в других частях нейронов. Другие играют главную роль в транспорте белков и РНК в ядро и из ядра.

гидролиза ГТФ является важным свойством G-белков и регулируется ГТФаза-активируемыми белками (GAP, от GTPase-Activating Proteins). Активная α-субъединица, связанная с ГТФ, функционально является ГТФазой.

Замещая ГТФ на ГДФ, ГТФаза-активируемые белки возвращают α-субъединицу G-белков в неактивное состояние.

Сначала активируемые ГТФазой белки были открыты как регуляторы малых G-белков, затем их регулирующая функция была показана и для α-субъединиц G-белков-гетеротримеров.

аденилатциклазу (или гуанилатциклазу);

2) Gi ингибирует аденилатциклазу (или гуанилатциклазу),
Go ингибирует потенциал-зависимые Са2+- и К+-каналы;

3) Gq/11 (или Gq) активирует фосфолипазу С;

4) G12/13 не участвует в процессах внутриклеточной сигнализации,
имеющих отношение к непрямой синаптической передаче.

Димер, образованный комплексом из β- и γ-субъединиц (Gβγ), также проявляет свою самостоятельную функцию, например, регулирует проводимость ионных каналов (например, Са2+-каналов).

цГМФ в нециклическую форму 5’3’-ГМФ в фоторецепторах сетчатки,

С (на рис. PLCβ2) в мембранах вкусовых рецепторных клеток.

зависимости от взаимодействия между рецепторами (Ri), G-белками (Gi) и эффекторами (Ei).

могут также напрямую связываться с ионными каналами.

При активации мускаринового ацетилхолинового рецептора в кардиомиоцитах происходит диссоциация G-белка. Димер β/γ напрямую связывается с K+-каналом и открывает его, в результате чего выходящий ток катионов вызывает гиперполяризацию клетки.

В специальных экспериментах методом patch clamp на кардимиоцитах показано, что при аппликации β/γ с внутренней стороны мембраны происходит открытие K+-канала.

показано в механизме ауторегуляции выделения норадреналина из нейронов симпатического ганглия лягушки. Выделяясь из аксонной терминали, норадреналин связывается со специальными пресинаптическими ауторецепторами.
В результате диссоциации G-белка димер β/γ напрямую действует на Ca2+-канал N-типа, снижая вероятность его открытия. Уменьшение Ca2+-тока в пресинаптическую терминаль приводит к уменьшению выделения медиатора.

следующего порядка.

Большинство таких эффекторов являются ферментами, которые при их активации G-белками синтезируют внутриклеточные вторичные посредники, а при ингибировании – прекращают синтез последних.

Эти ферменты включают аденилат- и гунилатциклазы, фосфолипазу С и некоторые другие.

Вторичные посредники инициируют каскады следующего порядка.

Поскольку каждый из этих каскадов запускается специфическими субъединицами G-белков, пути внутриклеточной сигнализации, опосредованные отдельными рецепторами, зависят от специфичности ассоциированных с этими рецепторами субъединиц G-белков.

протеин-киназа



целевое действие

этапов:

В результате активации рецептора ГДФ на α-субъединице G-белка (передатчик) замещается на ГТФ, что приводит к диссоциации α- и βγ-субъединиц.

Различные типы активированной α-субъединицы взаимодействуют с рядом первичных эффекторов - ферментов (циклазы, фосфолипазы, фосфодиэстеразы цГМФ, ГТФаза-активируемые белки и некоторые другие). В результате взаимодействия α-субъединица может либо активировать ферменты, что приводит к синтезу (циклазы) или деградации (фосфодиэстеразы) вторичных посредников, либо ингибировать ферменты (циклазы), прекращая синтез вторичных посредников. Димер βγ ингибирует и стимулирует (вместе с α-субъединицей) некоторые аденилатциклазы, а также регулирует активацию фосфолипаз Сβ и А2, К+- и Са2+-каналов и других эффекторов.

Вторичные посредники активируют различные белки-мишени (вторичные эффекторы) – протеинкиназы, фосфатазы, липоксигеназы, циклооксигеназы и др., воздействуя на их регуляторные субъединицы.

Каталические субъединицы различных белков-мишеней вызывают дальнейшие эффекты. Например, протеин киназы фосфорилируют канальные белки, что приводит к открытию ионных каналов, а фосфатазы дефосфорилируют канальные белки, что приводит к закрытию ионных каналов

Посредники следующего уровня либо активируют различные третичные эффекторы, либо влияют на ионную проводимость в мембранах, в том числе и в мембранах клеточных органелл.

как внутриклеточные сигнальные молекулы. Эти посредники различаются по механизмам их синтеза и деградации, а также по их молекулам-мишеням следующего порядка и эффектам.

клетках.

Во всех случаях при участии Са2+ информация передается в результате быстрого возрастания его концентрации в цитоплазме (от 10-100 нМ до 0,5-1,0 мкМ), в результате чего Са2+ связывается с большим числом Са2+-связывающих белков, которые выступают в качестве молекул-мишеней.

Внутриклеточный Са2+ регулирует К+- и Cl--каналы, а также активность связанных с мембраной фосфолипаз С и А2.

В цитоплазме Са2+ активирует три основных мишени:
- протеинкиназу С,
- калмодулин
- и Са2+-зависимую протеазу (кальпаин).

калмодулин, который содержится в цитозоле в большой концентрации.

При связывании с Са2+ этот белок активируется, и комплекс Са2+/калмодулин инициирует разнообразные эффекты, активируя эффекторы следующего порядка:

Са2+/калмодулин-зависимую протеин киназу II (СаМК II),
аденилатциклазу,
фосфодиэстеразу циклических нуклеотидов,
протеин фосфатазу (кальцинейрин)
и NO-синтазу.

(Са2+-насосом и Na+/Са2+-обменником).

Цитоплазматический Са2+ закачивается специальными Са2+-насосами в эндоплазматический ретикулум и митохондрии. Эти органеллы выступают в роли внутриклеточных Са2+-депо.

В клетках присутствует Са2+-связывающий белок калбиндин (от англ., Са2+-binding protein), который выступает в качестве Са2+-буфера.

Такие буферные системы, обратимо связывающие Са2+, демпфируют амплитуду и кинетику Са2+-сигнала внутри нейронов.

потенциал- и лиганд-зависимым Са2+-каналам плазматической мембраны.

Са2+ высвобождается в цитозоль из цистерн эндоплазматического ретикулума. Эти каналы активируются в ответ на различные внутриклеточные сигналы:

- Инозитол-трифосфатный (ИФ3-) рецептор. ИФ3 является вторичным посредником, синтезируемым в результате активации метаботропных рецепторов.

- Рианодиновый рецептор. Рианодин является экзогенным лигандом, который связывается с этим рецептором и частично открывает Са2+-канал. Этот рецептор активируется внутриклеточным Са2+, а в мышечных клетках – при деполяризации плазматической мембраны.

и частично открывает Са2+-канал.

Этот рецептор активируется внутриклеточным Са2+ (положительная обратная связь).

В сердце и поджелудочной железе активируется также другим вторичным посредником - циклической АДФ-рибозой (Cyclic ADP-ribose)

domains of protein phosphatases 1 and 2A, protein kinase A, calmodulin and FKBP12.6 are indicated. Protein phosphatases 1 and 2A and protein kinase A bind to the cardiac ryanodine receptor via their specific adaptor proteins. Three major divergent (nonhomologous) regions are also indicated. Six transmembrane segments are shown as previously proposed.

CaM, calmodulin; DR, divergent region; FKBP, calstabin-2; LIZ, leucine–isoleucine zipper; PKA, protein kinase A; PP, protein phosphatase; SR, sarcoplasmic reticulum.

Yano M et al. (2006) Mechanisms of Disease: ryanodine receptor defects in heart failure and fatal arrhythmia Nat Clin Pract Cardiovasc Med 3: 43–52

Са2+-канал (ионная пора – между 5 и 6-м).

shown in Figure 3 was used here to simulate the single-channel recordings shown. At the top, a series of high Po bursts or low Po bursts are marked. Trains of high or low Po bursts correspond to the high or low Po gating modes of the RyR2 channel.
At any steady-state calcium concentration, the RyR2 channel will spontaneously shift between its different gating modes. A sample spontaneous modal gating shift (at pCa 5) is shown in the middle panel. In this case, the channel shifted from the low Po mode to the high Po mode and back. Shifts in model RyR2 gating can also be evoked by fast calcium concentration changes. A sample evoked modal gating shift is shown on the bottom panel. A fast calcium concentration change (pCa 7 to 6) was introduced at the arrow. The channel immediately shifts into the high Po mode for a period of time before shifting again into the low Po mode.

- калмодулин и Са2+-зависимую протеазу (кальпаин).

Са2+/калмодулин активирует:
Са2+/калмодулин-зависимую протеин киназу II, аденилатциклазу, фосфодиэстеразу циклических нуклеотидов, протеин фосфатазу (кальцинейрин) и NO-синтазу

фосфатаза

протеаза

локализованной в плазматической мембране. цГМФ синтезируется из ГТФ при активации гуанилатциклазы.
Циклические нуклеотиды деградируют в результате активации фосфодиэстераз, которые разрезают фосфодиэфирную связь в молекулах цАМФ и цГМФ и превращает их в линейную форму 3’5’-АМФ и 3’5’-ГМФ.

Уровень циклических нуклеотидов регулируется балансом их синтеза (циклазами) и деградации (фосфодиэстеразами). Каждый из этих ферментов может регулироваться независимо.

двумя различными классами внутриклеточных мишеней.

Типичными их мишенями являются протеин киназы – цАМФ-зависимая протеин киназа (ПКА) и цГМФ-зависимая протеинкиназа (ПКГ).
Протеин киназы обеспечивают множество физиологических ответов, фосфорилируя различные мишени белки-мишени.

Циклические нуклеотиды могут связываться с цитоплазматическими участками С-терминалей определенных лиганд-зависимых ионных каналов, а также с цАМФ- потенциал-зависимыми неселективными катионными каналами.

с β-адренорецептором приводит к активации Gs-белка, который диссоциируется на α- и βγ-субъединицы. Обе субъединицы связываются с аденилатциклазой, активируя ее. Аденилатциклаза продуцирует цАМФ, которая активирует цАМФ-зависимую протеин киназу. Протеин киназа фосфорилирует потенциал-зависимые Са2+-каналы, устраняя их инактивацию.