Путь передачи сигналов IP3 и DAG

Химические вещества, которые связываются со специфическим белковым рецептором (сигнальной молекулой) на клетке или внутри клетки, такие как гормоны, нейротрансмиттеры и факторы роста, представляют собой большинство химических веществ, которые индуцируют клеточную сигнализацию. Передача сигналов клетками необходима для нормального развития и функционирования клеток.
Необычные сигнальные молекулы в клетках могут привести к развитию злокачественных клеток. Рецепторы играют жизненно важную роль в передаче сигналов клетками, поскольку они могут обнаруживать как химические, так и физические импульсы. Белки, присутствующие на поверхности клетки или внутри клетки, такие как цитоплазма, органеллы и ядро, известны как рецепторы.

Механизм сигнализации IP3

Эти процессы прослеживаются от лигандов до нижестоящих мишеней. Тиреотропный гормон и ацетилхолин связываются и активируют либо гетеротримерные гуаниновые нуклеотидсвязывающие белки (G-белки), связанные с рецепторами (GCPR), либо тирозинкиназные рецепторы (rTK). При активации рецептора активируется фосфолипаза С (PLC), которая превращает фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат (PIP2) в IP3 и диацилглицерин (DAG). Высвобождение кальция из эндоплазматического ретикулума затем стимулируется IP3, и кальций регулирует активность множества нижестоящих мишеней. Протеинкиназа C является одной из нижестоящих мишеней (PKC). Кальций помогает PKC связываться с DAG и, следовательно, активироваться им. После этого PKC фосфорилирует нижележащие субстраты, такие как гликогенсинтаза и кальмодулин-связывающий протеиннейрогранин.

IP3 (инозитолтрифосфат)

Сигнальной молекулой инозитолфосфата является инозитолтрифосфат, также известный как инозитол-1,4,5-трифосфат и сокращенно InsP3, Ins3P или IP3. Он образуется в результате расщепления фосфолипазой С фосфолипида фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата (PIP2) (PLC) плазматической мембраны. IP3 представляет собой молекулу вторичного мессенджера, используемую для передачи сигнала в биологических клетках вместе с диацилглицерином (DAG). IP3 растворим и диффундирует в клетку, где он взаимодействует со своим рецептором, кальциевым каналом, обнаруженным в эндоплазматическом ретикулуме, тогда как DAG остается внутри мембраны. Кальций высвобождается в цитозоль, когда IP3 связывается со своим рецептором, активируя различные внутриклеточные процессы, регулируемые кальцием.

Ацетилхолин и тиреотропный гормон представляют собой лиганды, которые связываются и активируют либо гетеротримерные рецепторы, связанные с G-белком (GCPR), либо рецепторы тирозинкиназы (rTK). Фосфолипаза С (PLC) активируется в результате активации рецептора, расщепляя фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат (PIP2) на IP3 и диацилглицерин (DAG). Затем высвобождение кальция из эндоплазматического ретикулума стимулируется IP3, и кальций регулирует активность многих нижестоящих мишеней. Протеинкиназа C является одной из нижестоящих мишеней (PKC). PKC может связываться с DAG, а затем активироваться им благодаря кальцию. После этого нижележащие субстраты, такие как гликогенсинтаза и кальмодулин-связывающий белок нейрогранин, фосфорилируются с помощью PKC.

Основные внеклеточные мессенджеры, такие как адреналин, ацетилхолин и гормоны AGT, GnRH, GHRH, окситоцин и TRH, присоединяются к своим специфическим рецепторам, чтобы инициировать цепь.

ДАГ (диацилглицерин)

С помощью сложноэфирных связей две цепи жирных кислот ковалентно соединяются с молекулой глицерина с образованием диглицерида, также известного как диацилглицерол (ДАГ). Возможны две разновидности: 1,2- и 1,3-диацилглицеролы. DAG часто используются в качестве эмульгаторов в обработанных пищевых продуктах и могут действовать как поверхностно-активные вещества. Благодаря своему потенциалу предотвращать накопление жира в организме, масло, обогащенное DAG, в частности 1,3-DAG, было подвергнуто обширным исследованиям в качестве альтернативы жирам, а общий годовой объем продаж в Японии достиг более 200 миллионов долларов США с момента его запуска в Японии. конца 1990-х по 2009 год.

Для передачи сигналов вниз по течению от многих рецепторов, экспрессируемых гемопоэтическими клетками, диацилглицерин (DAG) является важным вторичным липидным мессенджером. Было продемонстрировано, что DAG значительно влияет на активацию, пролиферацию, миграцию и эффекторные способности адаптивных и врожденных иммунных клеток.

Биологически активные липиды, такие как диацилглицерин и фосфатидная кислота, образуются, когда рецептор Т-клеток взаимодействует с родственным комплексом пептид-ГКГС. Ras-гуанил-высвобождающий белок 1, PKC и другие эффекторы привлекаются DAG для инициации передачи сигнала, тогда как PA связывается с эффекторными молекулами, такими как механистическая мишень рапамицина, фосфатаза 1, содержащая домен гомологии Src 2, и Raf1. Хотя было продемонстрировано, что пути, опосредованные DAG, имеют решающее значение для роста и работы Т-клеток, значение сигналов, опосредованных PA, все еще неясно. Семейство ферментов, известных как диацилглицеролкиназы (DGK), фосфорилирует DAG с образованием PA, действуя как молекулярный переключатель, контролирующий относительные уровни этих жизненно важных вторичных мессенджеров.

Сигнальный путь

1. Во многих случаях активация IP3 приводит к увеличению внутриклеточной концентрации Ca ²⁺ . -Субъединица гетеротримерного G-белка Gq может связываться с изоферментом PLC PLC- и активировать его, что приводит к расщеплению PIP2 на IP3 и DAG, когда лиганд связывается с рецептором, связанным с G-белком (GPCR), который связан с Gq.
2. Если для активации пути требуется рецепторная тирозинкиназа (RTK), изофермент PLC- содержит остатки тирозина, которые могут фосфорилироваться при активации RTK. Это активирует PLC- и позволит ему расщепить PIP2 на DAG и IP3, если RTK участвует в активации пути. Из-за того, что факторы роста являются лигандами, активирующими RTK, это происходит в клетках, которые могут реагировать на факторы роста, такие как инсулин.
3. Созданный с помощью PLC, IP3 (также известный как Ins(1,4,5)P3) представляет собой растворимую молекулу, которая может диффундировать через цитоплазму в ER или саркоплазматический ретикулум (SR) в случае мышечных клеток.
4. Оказавшись внутри ER, IP3 может присоединяться к управляемому лигандом Ca ²⁺ каналу на поверхности ER через рецептор IIns(1,4,5)P3 или Ins(1,4,5)P3R. Когда IP3 (в данном случае лиганд) связывается с Ins(1,4,5) P3R, канал Ca ²⁺ открывается, высвобождая Ca ²⁺ в цитоплазму.
5. Это повышение Ca ²⁺ вызывает индуцированное кальцием высвобождение кальция, что вызывает дополнительное увеличение Ca ²⁺ в клетках сердечной мышцы за счет активации управляемого рианодиновым рецептором канала на SR. IP3 может косвенно открывать каналы Ca ²⁺ на клеточных мембранах, повышая внутриклеточную концентрацию Ca 2+ .

Путь для IP3

Другой вторичный мессенджер, продуцируемый расщеплением PIP2, IP3, представляет собой крошечную полярную молекулу, которая высвобождается в цитозоль и функционирует, чтобы сигнализировать о высвобождении Ca ²⁺ из внутриклеточного хранилища, тогда как диацилглицерин остается связанным с плазматической мембраной. Насосы Ca ²⁺ , которые активно экспортируют Ca ²⁺ из клетки, поддерживают цитозольную концентрацию Ca ²⁺ на очень низком уровне (примерно 0,1 М). Са ²⁺ проталкивается в эндоплазматический ретикулум, а также через плазматическую мембрану, в результате действуя как внутриклеточный депо Са ²⁺ . IP3 связывается с лиганд-управляемыми рецепторами Ca ²⁺ канала, которые высвобождают Ca ²⁺ из эндоплазматического ретикулума. Результатом является повышение концентрации Са ²⁺ в цитозоле примерно до 1 М, что оказывает влияние на действие многочисленных белков-мишеней, включая протеинкиназы и фосфатазы. Например, некоторым членам семейства протеинкиназ С для активации необходимы как Ca ²⁺ , так и диацилглицерин, поэтому оба плеча сигнального пути PIP2 работают вместе, чтобы контролировать эти протеинкиназы.

Путь СЕГОДНЯ

Протеин-серин/треонинкиназы из семейства протеинкиназ С, многие из которых играют решающую роль в регуляции развития и дифференцировки клеток, активируются диацилглицерином, образующимся при гидролизе PIP2. Активность форболовых эфиров, которые были предметом глубоких исследований, поскольку они способствуют развитию опухолей у животных, служит прекрасным примером этой функции протеинкиназы С. Способность форболовых эфиров стимулировать протеинкиназу С действуя как аналоги диацилглицерина, лежит в основе их эффекта, способствующего развитию опухолей. Затем протеинкиназа С активирует дополнительные внутриклеточные мишени, такие как путь киназы MAP, цепь протеинкиназ, что приводит к активации факторов транскрипции, модификации экспрессии генов и стимулированию клеточной пролиферации. В дополнение к запуску ПКС диацилглицерин выполняет множество других задач в клетках, в том числе:

• Источник простагландинов
• Предшественник эндоканнабиноида 2-арахидоноилглицерола.
• Активатор катионных каналов TRPC3/6/7, член семейства катионных каналов TRPC (Transient Receptor Potential Canonical).

Функции сигнализации IP3

1. Человек: у людей IP3 в первую очередь контролирует клеточные процессы, зависящие от свободного кальция, такие как пролиферация клеток и высвобождение Ca ²⁺ из запасающих органелл. Например, повышение концентрации цитоплазматического Са ²⁺ вызывает сокращение мышечной клетки в гладкомышечных клетках. Мозжечок имеет самую высокую концентрацию рецепторов IP3 в нервной системе, где IP3 функционирует как вторичный мессенджер. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что рецепторы IP3 имеют решающее значение для повышения пластичности клеток Пуркинье мозжечка.
2. Яйца морских ежей: вторичная мессенджерная система PIP2 опосредует постепенное препятствие полиспермии у морских ежей . Связывающие рецепторы активируют PLC, который затем расщепляет PIP2 в плазматической мембране яйцеклетки и высвобождает IP3 в цитоплазму яйцеклетки. В ER IP3 диффундирует и активирует Ca ²⁺ каналы.
3. Активация протеинкиназы C: фосфолипаза C (PLC), мембраносвязанный фермент, гидролизует фосфолипид фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат (PIP2) с образованием инозитолтрифосфата, который служит вторичным мессенджером в биохимической передаче сигналов. Фосфолипаза С представляет собой мембраносвязанный фермент (IP3). Диацилглицерин остается внутри плазматической мембраны благодаря своим гидрофобным свойствам, тогда как инозитолтрифосфат диффундирует в цитозоль. В то время как DAG является физиологическим активатором протеинкиназы C, IP3 увеличивает высвобождение ионов кальция из гладкого эндоплазматического ретикулума (PKC). Синтез DAG мембраной облегчает переход PKC из цитозоля в плазматическую мембрану.
4. Активация Munc13: было обнаружено, что диацилглицерин взаимодействует с семейством пресинаптических праймирующих белков Munc13, проявляя часть своих возбуждающих эффектов при высвобождении пузырьков. Связывание DAG с доменом C1 Munc13 улучшает способность слияния синаптических пузырьков , что приводит к потенцированному высвобождению. Сложные эфиры форбола, способствующие развитию опухолей, могут напоминать диацилглицерин.

Транслокация ПК-С

Белки RACK помогают ферментам протеинкиназы С пройти к плазматической мембране после активации (связанный с мембраной рецептор для активированных белков протеинкиназы С). Волна Са ²⁺ или начальный сигнал активации больше не присутствуют, но ферменты протеинкиназы С продолжают быть активными. Это, скорее всего, осуществляется фосфолипазой, превращающей фосфатидилхолин в диацилглицерин; жирные кислоты также могут способствовать долговременной активации. Они могут присоединяться к различным белкам RACK и выполнять различные функции RACK в зависимости от их изоферментных форм. Активность PK-C можно ингибировать путем ингибирования RACK-связывающего домена белка. Бронхоконстрикция, агрегация латентных клеток, секреция спинномозговой жидкости, секреция H ⁺ , реабсорбция Na ⁺ , и все они поддерживаются активностью протеинкиназы-C.

Киназы CaM

Комплекс Са2+/кальмодулин в основном отвечает за контроль серин/треонин-специфических протеинкиназ , также известных как киназы СаМ. Активация этих киназ проявляет эффект памяти. Киназа CaM бывает двух разновидностей:

1. Особые киназы CaM: одним из примеров является киназа легкой цепи миозина (MLCK), которая фосфорилирует миозин, вызывая сокращение мышц.
2. Многоцелевые киназы CaM: их иногда вместе называют киназой CaM II, и они выполняют множество функций, включая регуляцию факторов транскрипции, метаболизм гликогена и высвобождение нейротрансмиттеров. Киназа CaM II составляет от 1% до 2% белков в головном мозге.

Регулирование сигнализации IP3

• Сигнальный путь P38-MAPK: сигнальная система p38-MAPK может быть активирована в адипоцитах для увеличения внутриклеточного транспорта кальция, контроля метаболизма адипоцитов и уменьшения ожирения.
• Кальмодулин: Кальмодулин влияет на энергетический метаболизм адипоцитов, уменьшая ожирение. В нейронах гипоталамуса активация CaMKK2 может контролировать пищевое поведение и снижать ожирение. После связывания Ca ²⁺ кальмодулин активируется лишь частично; фосфорилирование приводит к полной активации. После активации он связывается с коротким пептидом, что вызывает модификации его собственной структуры и повышает его активность. Кроме того, он модифицирует структуру белка, чтобы активировать его.
• Путь передачи сигналов IP3-Ca ²⁺ : для контроля липолиза и накопления жира можно активировать путь IP3, повышая концентрацию внутриклеточных ионов кальция в адипоцитах.
• Другие пути передачи сигналов кальция: ионы кальция могут высвобождаться рецепторными каналами Rya в ER/SR для контроля возбудимости нейронов, которая, в свою очередь, контролирует энергетический обмен. Зависимые от напряжения кальциевые каналы, которые открыты, позволяют внеклеточным ионам кальция проникать в клетки и контролировать способность PKA влиять на ожирение. Путем активации PKC и CaMK2 сигнальный путь Wnt-Ca2+ может уменьшить ожирение за счет повышения концентрации внутриклеточного кальция.

Часто задаваемые вопросы о сигнализации IP3

Вопрос 1: Почему IP3 участвует в сотовой сигнализации?

Отвечать:

The primary jobs of IP3 are to release Ca²⁺ from storage organelles and to control cell division and other cellular processes that need free calcium. For instance, a rise in the cytoplasmic Ca²⁺ concentration causes the contraction of the muscle cell in smooth muscle cells.

Вопрос 2: Каковы роли DAG и IP3?

Отвечать:

DAG and IP3 both serve as significant second messengers. The protein kinase C is attracted to and activated by DAG while it is still in the membrane. The endoplasmic reticulum and other intracellular organelles that store Ca²⁺ are among those where IP3 stimulates the opening of IP3-mediated Ca²⁺ channels.

Вопрос 3: Как регулируется IP3?

Отвечать:

We propose that cytosolic Ca(2+), which binds to two different locations, biphasically regulates the activity of all IP(3) receptors. By deciding whether Ca(2+) binds to the stimulatory or inhibitory sites, IP(3) promotes channel opening.

Вопрос 4: Как регулируется DAG?

Отвечать:

The diacylglycerol kinases and phosphatidic acid phosphatases are responsible for closely regulating the intracellular levels of DAG and PA due to their significance. As a result, these enzymes play a variety of crucial physiological tasks.

Вопрос 5: К каким рецепторам прикрепляется IP3?

Отвечать:

IP3 is produced by phospholipase C (PLC) when receptor tyrosine kinases (RTKs) are stimulated. IP3 is then produced and binds to IP3Rs in the endoplasmic reticulum.

Вопрос 6: Какую функцию выполняет диацилглицерол ДАГ?

Отвечать:

In order to transmit signals downstream of the many receptors expressed by hematopoietic cells, diacylglycerol (DAG) is a crucial secondary lipid messenger. Adaptive and innate immune cells’ activation, proliferation, migration, and effector capabilities have been demonstrated to be significantly influenced by DAG.