ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 01.12.2019
Просмотров: 3406
Скачиваний: 3
ромолярные концентрации ионов кальция и приближающиеся к нейтральным значения рН.
Сначала у животных, а затем и у растительных объектов было обнаружено, что свободная фосфатидная кислота является липидным вторичным мессенджером, который способен активировать ряд белков, включая малый (small) G-белок, Са2+-зависимую и Са2+-независимую протеинкина-зы, МАР-киназы, НАДФН-оксидазу, фосфолипазы С и А2 [Wang, 1999; Sang et al., 2001].
В фосфатидатной системе стимуляция элиситором фосфолипазы Д, опосредованная активацией G-белка мастопа-
раном, приводит к освобождению из фосфолипидов плазма-леммы фосфатидной кислоты, которая выступает в роли вторичного посредника, от которого сигнальный импульс передается на протеинкиназы и затем на факторы регуляции транскрипции, вызывая в конечном итоге экспрессию защитных генов.
Установлено, что фосфатидат способен превращаться в интермедиаты, характерные для других сигнальных путей: в диацилглицерол кальциевого пути, а также в полиеновые жирные кислоты и лизофосфатидную кислоту липоксиге-назного пути.
Оказалось также, что накопление свободной фосфатидной кислоты может изменять свойства мембран и, вследствие этого, активность связанных с ними участников других сигнальных систем. Обращает на себя внимание, что фосфатидная кислота является кальциевым ионофором, из чего следует, что она может оказывать некоторое влияние на функционирование кальциевой сигнальной системы.
КАЛЬЦИЕВАЯ СИГНАЛЬНАЯ СИСТЕМА
Повышение концентрации ионов кальция в цитозоле является одной из наиболее ранних ответных реакций на инфицирование патогенами (на действие элиситоров), на механическое повреждение (или раздражение) и другие стрессоры. Эта кальциевая "вспышка" носит преходящий характер. Ее восходящая ветвь вызвана открыванием кальциевых каналов, расположенных в плазмалемме, вакуолярном тонопласте и в мембранах эндоплазматической сети [Blume et al., 2000]. Во всех трех случаях имеет место чрезвычайно высокий трансмембранный электрохимический градиент Са2+ - в цитозоле концентрация этих ионов при невозбужденном состоянии клетки приблизительно в 1000 раз меньше, чем в клеточной стенке, вакуоле или в матриксе эндоплазматической сети, и цитозольная сторона мембран заряжена отрицательно по сравнению с другой стороной. При открывании кальциевых каналов ионы кальция устремляются в цитозоль, и их концентрация повышается в 10-20 раз. Эта кальциевая "вспышка" используется клеткой в качестве сигнального интермедиата. В основе сигнальной функции лежит способность ионов кальция взаимодействовать с белками. При связывании ионов кальция некоторыми остатками аминокислот, например аспартата или глута-мата, происходит изменение заряда соответствующего участка белка и, вследствие этого, конформации белковой молекулы. Это сказывается на ее активности, что и используется для передачи элиситорного сигнала на последующие звенья сигнальных цепей.
Так же как и в большинстве других сигнальных систем, в случае кальциевой системы элиситоры связываются с рецепторами плазмалеммы (рис. 12), после чего элиситорный импульс трансмембранно передается на комплекс G-бел-
Рис. 12. Схема функционирования кальциевой сигнальной системы
ДАГ - диацилглицерол; ИФ3 - инозитолтрисфосфат; ИФ4 - инози-толтетракисфосфат; КЗПК - кальцийзависимая протеинкиназа, отличная от ПКС; МФЛ - мембранные фосфолипиды; ПКС - протеинкина-зы С; ФЛС - фосфолипаза С. Остальные обозначения - см. рис. 6
ков, а от них - на фосфолипазу С (ФЛС), катализирующую реакцию гидролиза эфирной связи между остатками фосфорной кислоты и гидроксила глицерина фосфоинозитоль-ного фосфолипида - фосфатидилинозитолбисфосфата (ФИФ). Образующиеся диацилглицерин и инозитол-1,4,5-трисфосфат являются вторичными посредниками. Первый может активировать мембранные Са2+ - зависимые протеинкиназы С (ПКС). Изоформы этого фермента отличаются различной степенью активации ионами кальция и диа-цилглицерином. Протеинкиназы С способны осуществлять фосфорилирование большого числа белков, регулируя их активность и вызывая клеточный ответ на внешний сигнал. Это относится и к фосфорилированию белковых факторов регуляции транскрипции.
В растениях существует несколько изоформ ФЛС. Наибольший интерес представляют две из них. Первый тип ФЛС связан с поверхностью плазматических мембран, ее субстратами являются полифосфоинозитиды, необходимая концентрация свободных Са2+ находится в физиологической области (от 1 нМ до 1 мкМ); второй тип ФЛС - преимущественно растворимая ФЛС, в качестве субстрата для нее предпочтителен фосфатид ил инозитол, для полной активации фермента необходима высокая концентрация свободных ионов Са2+ (мМ) [Drobak et al., 1996]. Имеются непрямые доказательства об участии G-белков в индукции гидролиза фосфатидилинозитолбисфосфата.
Другой вторичный посредник - инозитол- 1,4,5-трисфос-фат, взаимодействует с белками кальциевых каналов тоно-пласта и эндоплазматической сети и открывает их, что вызывает поток ионов кальция в цитозоль (рис. 13). В нем Са2+ активирует различные ферменты, например кальцийзави-симые протеинкиназы (ПКС) или кальций-кальмодулинзави-симые протеинкиназы (ПКВ), которые, в свою очередь, могут фосфорилировать белки, в том числе факторы регуляции транскрипции, и вызвать экспрессию защитных генов. Инозитол-1,4,5-трисфосфат (или продукт его фосфорили-рования - инозитолтетракисфосфат) может повышать концентрацию Са2+ в цитозоле, открывая также кальциевые каналы плазмалеммы.
Предполагается, что у животных клеток мономерные трансмембранные белки - рецепторы упомянутых выше
Рис. 13. Влияние элиситоров на кальциевый обмен клеток растений
1 - рецепторактивируемый Са2+-канал; 2 - кальциевые каналы, активируемые ИФ3 и ИФ4; 3 - потенциалзависимые кальциевые каналы; 4 - транспортировка ионов Са2+ ионофорами; 5 - Са +-АТФазы плазма-леммы; 6 - Са /Н+-антипортер плазмалеммы; 7 - кальциевые каналы, активируемые ИФ3; 8 - кальциевые каналы, активируемые цАДФР; 9 -кальциевые каналы, активируемые протеинкиназами; 10 - Са2+-АТФазы тонопласта; 11 - Са2+/Н+-антипортер тонопласта; 12 - Ca2+/Na+-o6-менник; ПЛ - плазмалемма; Р - рецептор
инозитолфосфатов, после взаимодействия с ними образуют тетрамерные каналы, осуществляющие вброс ионов кальция в цитозоль [Крутецкая, Лебедев, 2001].
Недавно обнаружено новое семейство кальцийзависи-мых протеинкиназ (КЗПК), отличных от ПКС. Показано, что под влиянием элисторов может происходить вызванная фосфорилированием фермента трансформация его не-
Продолжительность действия элиситора, мин
Рис. 14. Влияние элиситора на изменение содержания неактивной (7) и активной (2) форм кальцийзависимой протеинкиназы (КЗПК) [Romeis et al., 2000] 7-70 кДа; 2-68 кДа
активной формы 68 кДа в активную 70 кДа (рис. 14) [Romeis et al., 2000]. Предложена [Trewavas, 1999] существенная модификация этой схемы, основывающаяся на относительно медленном передвижении ионов кальция в ци-тозоле, как было показано в опытах с использованием инъекции меченого кальция в гигантский аксон кальмара. Причинами могло быть интенсивное связывание ионов кальция белками и обратный перенос избытка ионов кальция Са2+-активируемыми АТФазами. Новая схема распространения кальциевой волны в клетках предполагает, что после открывания кальциевого канала у его отверстия происходит накопление относительно медленно диффундирующих ионов кальция, что вызывает активацию в этой области мембраносвязанной фосфолипазы С. Освобождающийся в результате фосфолипазной реакции инозитол-трисфосфат подвижен и, диффундируя от места образования, может достигать соседних кальциевых каналов, связываться с ними и открывать их. Необходимо иметь в виду, что белки каналов имеют места связывания не только ИФ3, но и ионов кальция. Предполагается, что при локальном передвижении от соседнего открытого кальциевого
канала они достигают свободных кальцийсвязывающих мест и захватываются ими. Это вносит дополнительный вклад в ИФ3-индуцированное открывание и поддержание в открытом состоянии кальциевых каналов. Так происходит распространение кальциевой волны вдоль мембраны и одновременно, местное (примембранное) повышение содержания ионов кальция. Предполагается, что этот механизм проявляется в том случае, когда концентрация элиситора невелика и лимитирует количество активируемых кальциевых каналов. Необходимо иметь в виду, что значительное повышение концентрации ионов кальция в цитозоле вблизи каналов может привести к их закрыванию и ограничению поступления Са2+ из окружающей среды или органоидов в цитозоль.
Передача элиситорного сигнала в геном клеток, интенсивность и направленность функционирования этой сигнальной системы осложнена различными деталями, касающимися природы элиситоров, большей или меньшей атаку-е мости фосфолипазой С различных молекулярных видов фосфолипидов, особенностями строения изоформ белков -участников сигнальной системы, различиями вклада кальциевых каналов плазмалеммы и различных органелл клетки в кальциевую "вспышку", наконец, вероятной "кластеризацией" кальциевых каналов и кальцийзависимых Са2+-АТФаз и удаленностью друг от друга этих кластеров |Trewavas, 1999]. Недавно была высказана гипотеза [Олов-ников, 2001] о существовании во внутренней ядерной мембране животных клеток кластеров специальных, например кальциевых каналов, с помощью которых осуществляется локальное (фонтанное) изменение концентрации ионов вблизи определенных генов и таким образом происходит специфическая регуляция их экспрессии. Топографическая специфичность регуляции генов могла бы осуществляться с помощью специальной фонтанной РНК (фРНК) и так называемых фионов - участков ДНК, способных связывать фРНК. Вброс порции ионов в ядро происходит с помощью комплекса фион-фРНК-белок ионного канала внутренней мембраны ядерной оболочки.