Введение

Инозитолтрифосфат или инозитол 1,4,5-трифосфат, сокращенно InsP3, Ins3P или IP3, – это сигнальная молекула инозитолфосфата. Он образуется в результате гидролиза фосфатидилинозитол 4,5-бисфосфата (PIP2), фосфолипида, расположенного в плазматической мембране, под действием фосфолипазы C (PLC). Вместе с диацилглицеролом (DAG), IP3 является вторичным посредником, используемым в передаче сигналов в биологических клетках. В то время как DAG остается в мембране, IP3 растворим и диффундирует по клетке, где связывается со своим рецептором – кальциевым каналом, расположенным в эндоплазматическом ретикулуме. При связывании IP3 с рецептором происходит высвобождение кальция в цитозоль, что активирует различные внутриклеточные сигналы, регулируемые кальцием.

Химическая формула и молекулярная масса

IP3 — это органическая молекула с молекулярной массой 420,10 г/моль. Его эмпирическая формула — C6H15O15P3. Он состоит из инозитольного кольца, к которому присоединены три фосфатные группы в позициях 1, 4 и 5, и три гидроксильные группы в позициях 2, 3 и 6.

Химические свойства

Фосфатные группы могут существовать в трех различных формах в зависимости от pH раствора. Атомы фосфора могут образовывать связи с тремя атомами кислорода одинарными связями и с четвертым атомом кислорода – двойной или донорно-акцепторной связью. pH раствора, и следовательно, форма фосфатной группы, определяет её способность связываться с другими молекулами. Связывание фосфатных групп с инозитольным кольцом происходит посредством образования фосфодиэфирной связи (см. фосфорные кислоты и фосфаты). Эта связь включает объединение гидроксильной группы инозитольного кольца и свободной фосфатной группы в реакции дегидратации. Учитывая, что средний физиологический pH составляет приблизительно 7,4, основной формой фосфатных групп, связанных с инозитольным кольцом in vivo, является PO42−. Это придает IP3 чистый отрицательный заряд, что важно для его связывания с рецептором за счет взаимодействия фосфатных групп с положительно заряженными аминокислотными остатками рецептора. IP3 имеет три донора водородных связей в виде трех гидроксильных групп. Гидроксильная группа на 6-м атоме углерода инозитольного кольца также участвует в докинге IP3.

Связывание с рецептором

Докинг IP3 к его рецептору, который называется инозитолтрифосфатным рецептором (InsP3R), впервые был изучен с использованием делеционного мутагенеза в начале 1990-х годов. Исследования были сосредоточены на N-концевой части рецептора IP3. В 1997 году исследователи локализовали область рецептора IP3, участвующую в связывании с IP3, между аминокислотными остатками 226 и 578. Учитывая, что IP3 является отрицательно заряженной молекулой, предполагалось, что в связывании участвуют положительно заряженные аминокислоты, такие как аргинин и лизин. Было обнаружено, что два остатка аргинина в позициях 265 и 511, а также один остаток лизина в позиции 508, играют ключевую роль в докинге IP3. С использованием модифицированной формы IP3 было установлено, что все три фосфатные группы взаимодействуют с рецептором, но в разной степени. Фосфаты в 4-й и 5-й позициях взаимодействуют более интенсивно, чем фосфат в 1-й позиции и гидроксильная группа в 6-й позиции инозитольного кольца.

Открытие

Открытие того, что гормон может влиять на метаболизм фосфоинозитов, было сделано Мейбл Р. Хокин (1924–2003) и ее мужем Лоуэллом Э. Хокином в 1953 году, когда они обнаружили, что радиоактивный 32P-фосфат включается в фосфатидилинозитол срезов поджелудочной железы при стимуляции ацетилхолином. До этого момента считалось, что фосфолипиды представляют собой инертные структуры, используемые клетками исключительно в качестве строительных блоков для формирования плазматической мембраны. В течение последующих 20 лет было мало что известно о значимости метаболизма PIP2 в контексте клеточной сигнализации, пока в середине 1970-х годов Роберт Х. Мишель не предположил связь между катаболизмом PIP2 и повышением уровня внутриклеточного кальция (Ca2+). Он высказал гипотезу, что активированный рецептором гидролиз PIP2 приводит к образованию молекулы, вызывающей увеличение мобилизации кальция внутри клетки. Эта идея была всесторонне изучена Мишелем и его коллегами, которые в 1981 году показали, что PIP2 гидролизуется до DAG и IP3 неизвестной на тот момент фосфодиэстеразой. В 1984 году было установлено, что IP3 действует как вторичный посредник, способный перемещаться по цитоплазме к эндоплазматическому ретикулуму (ER), где он стимулирует высвобождение кальция в цитоплазму. Дальнейшие исследования предоставили ценные сведения о пути IP3, например, открытие в 1986 году, что одна из многих функций кальция, высвобождаемого IP3, заключается во взаимодействии с DAG для активации протеинкиназы C (PKC). В 1989 году было обнаружено, что фосфолипаза C (PLC) является фосфодиэстеразой, ответственной за гидролиз PIP2 до DAG и IP3. В настоящее время сигнальный путь IP3 хорошо изучен и известен своей важной ролью в регуляции различных кальций-зависимых сигнальных путей клетки.

Сигнальный путь

Увеличение внутриклеточной концентрации Ca2+ часто является результатом активации IP3. Когда лиганд связывается с рецептором, сопряженным с G-белком (GPCR), который сопряжен с гетеротримерным G-белком Gq, α-субъединица Gq может связываться и индуцировать активность изозима PLC – PLCβ, что приводит к расщеплению PIP2 на IP3 и DAG. Если в активации пути участвует рецепторная тирозинкиназа (RTK), изозим PLCγ содержит остатки тирозина, которые могут быть фосфорилированы при активации RTK, что активирует PLCγ и позволяет ему расщеплять PIP2 на DAG и IP3. Это происходит в клетках, способных реагировать на факторы роста, такие как инсулин, поскольку именно факторы роста являются лигандами, ответственными за активацию RTK. IP3 (также обозначаемый как Ins(1,4,5)P3) – это растворимая молекула, способная диффундировать через цитоплазму к эндоплазматической сети (ER) или саркоплазматическому ретикулуму (SR) в случае мышечных клеток, после того как он был произведен под действием PLC. Достигнув ER, IP3 способен связываться с рецептором Ins(1,4,5)P3 – Ins(1,4,5)P3R, который представляет собой лиганд-зависимый Ca2+ канал, расположенный на поверхности ER. Связывание IP3 (в данном случае лиганда) с Ins(1,4,5)P3R вызывает открытие Ca2+ канала и, следовательно, высвобождение Ca2+ в цитоплазму. В нервной системе IP3 служит вторым посредником, при этом мозжечок содержит наибольшую концентрацию рецепторов IP3. Существуют данные, свидетельствующие о важной роли рецепторов IP3 в индукции пластичности в клетках Пуркинье мозжечка.

Яйца морских ежей

Медленный блок полиспермии у морского ежа опосредован вторичной системой PIP2. Активация связывающих рецепторов активирует PLC, который расщепляет PIP2 в плазматической мембране яйцеклетки, высвобождая IP3 в цитоплазму яйцеклетки. IP3 диффундирует к эндоплазматическому ретикулуму, где открывает Ca2+ каналы.

Болезнь Хантингтона

Болезнь Гентингтона развивается, когда к аминотерминальному участку цитозольного белка Huntingtin (Htt) добавляются 35 дополнительных остатка глутамина. Эта модифицированная форма Htt называется Httexp. Httexp увеличивает чувствительность IP3-рецепторов типа 1 к IP3, что приводит к избыточному высвобождению Ca2+ из эндоплазматической сети (ER). Высвобождение Ca2+ из ER вызывает повышение концентрации Ca2+ в цитозоле и митохондриях. Считается, что это увеличение концентрации Ca2+ является причиной деградации GABAергических нейронов среднего спинного мозга (MSN).

Болезнь Альцгеймера

Болезнь Альцгеймера характеризуется прогрессирующей дегенерацией мозга, серьезно влияющей на когнитивные функции. С момента выдвижения гипотезы о роли Ca2+ в развитии болезни Альцгеймера в 1994 году, многочисленные исследования показали, что нарушения кальциевой сигнализации являются первичной причиной этого заболевания. Семейная болезнь Альцгеймера тесно связана с мутациями в генах пресенилина 1 (PS1), пресенилина 2 (PS2) и белка-предшественника амилоида (APP). Все известные на сегодняшний день мутировавшие формы этих генов приводят к аномальной кальциевой сигнализации в эндоплазматическом ретикулуме. Показано, что мутации в PS1 усиливают высвобождение Ca2+ из эндоплазматического ретикулума посредством IP3 в различных моделях на животных. Блокаторы кальциевых каналов с некоторым успехом применялись для лечения болезни Альцгеймера, а использование лития для снижения скорости метаболизма IP3 также рассматривается как потенциальный метод терапии.