Инозитолтрифосфат или инозитол 1,4,5-трифосфат , сокращенно InsP 3 или Ins3P или IP 3 , является сигнальной молекулой инозитолфосфата . Он производится путем гидролиза фосфатидилинозитол 4,5-бисфосфата (PIP 2 ), фосфолипида , который находится в плазматической мембране , фосфолипазой C (PLC). Вместе с диацилглицерином (DAG) IP 3 является молекулой вторичного мессенджера, используемой в передаче сигнала в биологических клетках . В то время как DAG остается внутри мембраны, IP 3 растворим и диффундирует через клетку, где он связывается со своим рецептором , который представляет собой кальциевый канал, расположенный в эндоплазматическом ретикулуме. Когда IP 3 связывается со своим рецептором, кальций высвобождается в цитозоль, тем самым активируя различные регулируемые кальцием внутриклеточные сигналы.
IP 3 — это органическая молекула с молекулярной массой 420,10 г/моль. Ее эмпирическая формула — C 6 H 15 O 15 P 3 . Она состоит из инозитольного кольца с тремя фосфатными группами, связанными в положениях углерода 1, 4 и 5, и тремя гидроксильными группами, связанными в положениях 2, 3 и 6. [1]
Фосфатные группы могут существовать в трех различных формах в зависимости от pH раствора . Атомы фосфора могут связывать три атома кислорода одинарными связями и четвертый атом кислорода с помощью двойной/дативной связи. pH раствора и, таким образом, форма фосфатной группы определяют ее способность связываться с другими молекулами. Связывание фосфатных групп с инозитольным кольцом осуществляется путем связывания фосфорного эфира (см. фосфорные кислоты и фосфаты ). Эта связь включает объединение гидроксильной группы из инозитольного кольца и свободной фосфатной группы посредством реакции дегидратации . Учитывая, что средний физиологический pH составляет приблизительно 7,4, основной формой фосфатных групп, связанных с инозитольным кольцом in vivo, является PO 4 2− . Это придает IP 3 чистый отрицательный заряд, что важно для возможности его стыковки с его рецептором посредством связывания фосфатных групп с положительно заряженными остатками на рецепторе. IP 3 имеет три донора водородных связей в виде его трех гидроксильных групп. Гидроксильная группа на 6-м атоме углерода в инозитоловом кольце также участвует в стыковке IP 3. [2]
Стыковка IP 3 с его рецептором, который называется рецептором инозитолтрифосфата (InsP3R), была впервые изучена с помощью делеционного мутагенеза в начале 1990-х годов. [3] Исследования были сосредоточены на N-концевой стороне рецептора IP 3. В 1997 году исследователи локализовали область рецептора IP 3 , участвующую в связывании IP 3 , между аминокислотными остатками 226 и 578. Учитывая, что IP 3 является отрицательно заряженной молекулой, считалось, что в этом участвуют положительно заряженные аминокислоты, такие как аргинин и лизин . Было обнаружено, что два остатка аргинина в положениях 265 и 511 и один остаток лизина в положении 508 являются ключевыми в стыковке IP 3. Используя модифицированную форму IP 3 , было обнаружено, что все три фосфатные группы взаимодействуют с рецептором, но не в равной степени. Фосфаты в 4-м и 5-м положениях взаимодействуют более интенсивно, чем фосфат в 1-м положении и гидроксильная группа в 6-м положении инозитольного кольца. [4]
Открытие того, что гормон может влиять на метаболизм фосфоинозитида, было сделано Мейбл Р. Хокин (1924–2003) и ее мужем Лоуэллом Э. Хокиным в 1953 году, когда они обнаружили, что радиоактивный 32P фосфат был включен в фосфатидилинозитол срезов поджелудочной железы при стимуляции ацетилхолином . До этого считалось, что фосфолипиды являются инертными структурами, используемыми клетками только в качестве строительных блоков для построения плазматической мембраны. [5]
В течение следующих 20 лет было мало что известно о важности метаболизма PIP 2 с точки зрения клеточной сигнализации, пока в середине 1970-х годов Роберт Х. Мичелл не выдвинул гипотезу о связи между катаболизмом PIP 2 и повышением уровня внутриклеточного кальция (Ca 2+ ). Он предположил, что рецептор-активируемый гидролиз PIP 2 приводит к образованию молекулы, вызывающей повышение мобилизации внутриклеточного кальция. [6] Эта идея была тщательно исследована Мичеллом и его коллегами, которые в 1981 году смогли показать, что PIP 2 гидролизуется до DAG и IP 3 неизвестной тогда фосфодиэстеразой . В 1984 году было обнаружено, что IP 3 действует как вторичный мессенджер, способный перемещаться через цитоплазму в эндоплазматический ретикулум (ЭР), где он стимулирует высвобождение кальция в цитоплазму. [7]
Дальнейшие исследования предоставили ценную информацию о пути IP 3 , например, открытие в 1986 году того, что одной из многих ролей кальция, высвобождаемого IP 3 , является работа с DAG для активации протеинкиназы C (PKC). [ 8] В 1989 году было обнаружено, что фосфолипаза C (PLC) является фосфодиэстеразой, ответственной за гидролиз PIP 2 в DAG и IP 3. [9] Сегодня сигнальный путь IP 3 хорошо изучен и, как известно, важен для регуляции различных кальций-зависимых сигнальных путей клеток.
Повышение внутриклеточной концентрации Ca 2+ часто является результатом активации IP 3. Когда лиганд связывается с рецептором, сопряженным с G-белком (GPCR), который сопряжен с гетеротримерным G-белком Gq , α-субъединица Gq может связываться с изоферментом PLC -β и вызывать его активность, что приводит к расщеплению PIP 2 на IP 3 и DAG. [10]
Если рецепторная тирозинкиназа (RTK) участвует в активации пути, изофермент PLC-γ имеет остатки тирозина , которые могут фосфорилироваться при активации RTK, и это активирует PLC-γ и позволяет ему расщеплять PIP 2 на DAG и IP 3. Это происходит в клетках, которые способны реагировать на факторы роста , такие как инсулин , поскольку факторы роста являются лигандами, ответственными за активацию RTK. [11]
IP 3 (также сокращенно Ins(1,4,5)P 3) является растворимой молекулой и способна диффундировать через цитоплазму в ЭР или саркоплазматический ретикулум (СР) в случае мышечных клеток, как только она была произведена под действием PLC. Попав в ЭР, IP 3 может связываться с рецептором Ins(1,4,5)P 3 R, который является лиганд-управляемым каналом Ca 2+ , который находится на поверхности ЭР. Связывание IP 3 (лиганда в данном случае) с Ins(1,4,5)P 3 R запускает открытие канала Ca 2+ и, таким образом, высвобождение Ca 2+ в цитоплазму. [11] В клетках сердечной мышцы это увеличение Ca 2+ активирует канал , управляемый рецептором рианодина, на СР, что приводит к дальнейшему увеличению Ca 2+ через процесс, известный как кальций-индуцированное высвобождение кальция. IP 3 может также активировать каналы Ca 2+ на клеточной мембране косвенно, увеличивая внутриклеточную концентрацию Ca 2+ . [10]
Основные функции IP 3 заключаются в мобилизации Ca 2+ из органелл хранения и регулировании пролиферации клеток и других клеточных реакций, требующих свободного кальция. В гладкомышечных клетках , например, увеличение концентрации цитоплазматического Ca 2+ приводит к сокращению мышечной клетки. [12]
В нервной системе IP 3 служит вторичным мессенджером, при этом мозжечок содержит самую высокую концентрацию рецепторов IP 3. [13] Имеются данные о том, что рецепторы IP 3 играют важную роль в индукции пластичности в клетках Пуркинье мозжечка . [14]
Медленная блокировка полиспермии у морского ежа опосредована системой вторичного мессенджера PIP 2. Активация связывающих рецепторов активирует PLC, который расщепляет PIP 2 в плазматической мембране яйца, высвобождая IP 3 в цитоплазму яйцеклетки. IP 3 диффундирует в ЭР, где открывает каналы Ca 2+ .
Болезнь Хантингтона возникает, когда цитозольный белок Хантингтин (Htt) имеет дополнительные 35 остатков глутамина , добавленных к его аминоконцевой области. Эта модифицированная форма Htt называется Htt exp . Htt exp делает рецепторы IP 3 типа 1 более чувствительными к IP 3 , что приводит к высвобождению слишком большого количества Ca 2+ из ER. Высвобождение Ca 2+ из ER вызывает увеличение цитозольной и митохондриальной концентрации Ca 2+ . Считается, что это увеличение Ca 2+ является причиной ГАМКергической деградации MSN. [15]
Болезнь Альцгеймера включает в себя прогрессирующую дегенерацию мозга, серьезно влияя на умственные способности. [16] С тех пор как в 1994 году была предложена гипотеза Ca 2+ болезни Альцгеймера, несколько исследований показали, что нарушения в сигнализации Ca 2+ являются основной причиной болезни Альцгеймера. Семейная болезнь Альцгеймера была тесно связана с мутациями в генах пресенилина 1 (PS1), пресенилина 2 (PS2) и белка-предшественника амилоида (APP) . Было обнаружено, что все мутировавшие формы этих генов, наблюдаемые на сегодняшний день, вызывают аномальную сигнализацию Ca 2+ в ER. Было показано, что мутации в PS1 увеличивают опосредованное IP 3 высвобождение Ca 2+ из ER в нескольких моделях животных. Блокаторы кальциевых каналов использовались для лечения болезни Альцгеймера с некоторым успехом, и использование лития для снижения оборота IP 3 также было предложено в качестве возможного метода лечения. [17] [18]