Введение
Система сигнальных молекул внутри клетки. Вторые мессенджеры – это внутриклеточные сигнальные молекулы, высвобождаемые клеткой в ответ на воздействие внеклеточных сигнальных молекул – первых мессенджеров. (Межклеточные сигналы, являющиеся нелокальной формой клеточной сигнализации и охватывающие как первые, так и вторые мессенджеры, классифицируются как аутокринные, юкстакриновые, паракринные и эндокринные в зависимости от дальности распространения сигнала.) Вторые мессенджеры запускают физиологические изменения на клеточном уровне, такие как пролиферация, дифференцировка, миграция, выживание, апоптоз и деполяризация. Они являются одним из триггеров внутриклеточных каскадов передачи сигналов. Примерами молекул-вторых мессенджеров служат циклический АМФ, циклический ГМФ, инозитолтрифосфат, диацилглицерол и кальций. Первыми мессенджерами являются внеклеточные факторы, часто гормоны или нейротрансмиттеры, такие как адреналин, гормон роста и серотонин. Поскольку пептидные гормоны и нейротрансмиттеры обычно представляют собой биохимически гидрофильные молекулы, эти первые мессенджеры не могут физически пересекать фосфолипидный бислой для непосредственного инициирования изменений внутри клетки, в отличие от стероидных гормонов, которые обычно это делают. Это функциональное ограничение требует от клетки наличия механизмов передачи сигнала для преобразования первого мессенджера во вторые мессенджеры, чтобы внеклеточный сигнал мог распространяться внутри клетки. Важной особенностью системы сигнализации с участием вторых мессенджеров является то, что вторые мессенджеры могут быть связаны с многоциклическими каскадами киназ, что значительно усиливает силу исходного сигнала первого мессенджера. Например, сигналы RasGTP связаны с каскадом митоген-активированной протеинкиназы (MAPK) для усиления аллостерической активации пролиферативных факторов транскрипции, таких как Myc и CREB. Эрл Уилбур Сазерленд-младший открыл вторые мессенджеры, за что получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1971 году. Сазерленд обнаружил, что адреналин стимулирует печень к преобразованию гликогена в глюкозу (сахар) в клетках печени, но адреналин сам по себе не преобразует гликоген в глюкозу. Он выяснил, что адреналин должен запускать второй мессенджер, циклический АМФ, чтобы печень могла преобразовать гликоген в глюкозу. Механизмы были детально изучены Мартином Родбеллом и Альфредом Гилманом, которые получили Нобелевскую премию в 1994 году. Системы вторых мессенджеров могут быть синтезированы и активированы ферментами, например, циклазами, которые синтезируют циклические нуклеотиды, или путем открытия ионных каналов для обеспечения притока ионов металлов, например, сигнализация Ca2+. Эти небольшие молекулы связываются и активируют протеинкиназы, ионные каналы и другие белки, тем самым продолжая сигнальный каскад.
Second messengers are intracellular signaling molecules released by the cell in response to exposure to extracellular signaling molecules—the first messengers. (Intercellular signals, a non local form of cell signaling, encompassing both first messengers and second messengers, are classified as autocrine, juxtacrine, paracrine, and endocrine depending on the range of the signal.) Second messengers trigger physiological changes at cellular level such as proliferation, differentiation, migration, survival, apoptosis and depolarization. They are one of the triggers of intracellular signal transduction cascades. Examples of second messenger molecules include cyclic AMP, cyclic GMP, inositol triphosphate, diacylglycerol, and calcium. First messengers are extracellular factors, often hormones or neurotransmitters, such as epinephrine, growth hormone, and serotonin. Because peptide hormones and neurotransmitters typically are biochemically hydrophilic molecules, these first messengers may not physically cross the phospholipid bilayer to initiate changes within the cell directly—unlike steroid hormones, which usually do. This functional limitation requires the cell to have signal transduction mechanisms to transduce first messenger into second messengers, so that the extracellular signal may be propagated intracellularly. An important feature of the second messenger signaling system is that second messengers may be coupled downstream to multi cyclic kinase cascades to greatly amplify the strength of the original first messenger signal. For example, RasGTP signals link with the mitogen activated protein kinase (MAPK) cascade to amplify the allosteric activation of proliferative transcription factors such as Myc and CREB. Earl Wilbur Sutherland Jr., discovered second messengers, for which he won the 1971 Nobel Prize in Physiology or Medicine. Sutherland saw that epinephrine would stimulate the liver to convert glycogen to glucose (sugar) in liver cells, but epinephrine alone would not convert glycogen to glucose. He found that epinephrine had to trigger a second messenger, cyclic AMP, for the liver to convert glycogen to glucose. The mechanisms were worked out in detail by Martin Rodbell and Alfred G. Gilman, who won the 1994 Nobel Prize. Secondary messenger systems can be synthesized and activated by enzymes, for example, the cyclases that synthesize cyclic nucleotides, or by opening of ion channels to allow influx of metal ions, for example Ca2+ signaling. These small molecules bind and activate protein kinases, ion channels, and other proteins, thus continuing the signaling cascade.
Общие механизмы вторых систем сообщений
Существует несколько различных систем вторичных мессенджеров (cAMP-система, система фосфоинозитола и система арахидоновой кислоты), но все они довольно похожи по общему механизму, хотя задействованные вещества и общие эффекты могут варьироваться. В большинстве случаев лиганд связывается с рецептором на поверхности клетки. Связывание лиганда с рецептором вызывает изменение конформации рецептора. Это изменение конформации может повлиять на активность рецептора и привести к образованию активных вторичных мессенджеров. В случае G-белок-связанных рецепторов, изменение конформации обнажает сайт связывания для G-белка. G-белок (названный в честь молекул GDP и GTP, которые связываются с ним) связан с внутренней мембраной клетки и состоит из трех субъединиц: альфа, бета и гамма. G-белок известен как "трансдуктор". Когда G-белок связывается с рецептором, он приобретает способность обменять молекулу GDP (гуанозиндифосфат) на своей альфа-субъединице на молекулу GTP (гуанозинтрифосфат). После этого обмена альфа-субъединица G-белкового трансдуктора отсоединяется от бета- и гамма-субъединиц, при этом все части остаются связанными с мембраной. Альфа-субъединица, теперь свободно перемещающаяся по внутренней мембране, в конечном итоге контактирует с другим рецептором на поверхности клетки – "первичным эффектором". Первичный эффектор затем проявляет активность, которая создает сигнал, способный диффундировать внутри клетки. Этот сигнал называется "вторичным (или вторичным) мессенджером". Вторичный мессенджер может затем активировать "вторичный эффектор", эффекты которого зависят от конкретной системы вторичных мессенджеров. Ионы кальция являются одним из типов вторичных мессенджеров и отвечают за многие важные физиологические функции, включая сокращение мышц, оплодотворение и высвобождение нейротрансмиттеров. Ионы обычно связаны или хранятся во внутриклеточных компонентах (таких как эндоплазматический ретикулум) и могут высвобождаться во время передачи сигнала. Фермент фосфолипаза С производит диацилглицерол и инозитолтрифосфат, что увеличивает проницаемость мембраны для ионов кальция. Активный G-белок открывает кальциевые каналы, позволяя ионам кальция проникать в плазматическую мембрану. Другой продукт фосфолипазы С, диацилглицерол, активирует протеинкиназу С, которая способствует активации cAMP (еще одного вторичного мессенджера).
Вторые посланники в пути передачи сигналов фосфоинозитола
IP3, DAG и Ca2+ являются вторичными мессенджерами в фосфоинозитольном пути. Этот путь начинается со связывания внеклеточных первичных мессенджеров, таких как эпинефрин, ацетилхолин и гормоны AGT, GnRH, GHRH, окситоцин и TRH, с их соответствующими рецепторами. Эпинефрин связывается с α1-GPCR (белок, сопряженный с G-белком), а ацетилхолин – с M1 и M2-GPCR. Связывание первичного мессенджера с этими рецепторами вызывает конформационные изменения в рецепторе. α-субъединица, при помощи факторов обмена гуаниннуклеотидов (GEF), высвобождает GDP и связывает GTP, что приводит к диссоциации субъединицы и последующей активации. Активированная α-субъединица активирует фосфолипазу C, которая гидролизует мембранно-связанный фосфатидилинозитол 4,5-бисфосфат (PIP2), в результате чего образуются вторичные мессенджеры диацилглицерол (DAG) и инозитол 1,4,5-трифосфат (IP3). IP3 связывается с кальциевыми насосами на ЭР, транспортируя Ca2+ – еще один вторичный мессенджер – в цитоплазму. Ca2+ в конечном итоге связывается с множеством белков, активируя каскад ферментативных путей.