Лекция 10. Тема: «Механизмы клеточной коммуникации» (стр. 4 )

Каталитический домен имеет центр, связывающий АТФ и белок-субстрат. Активная форма фермента Протеинкиназы С фосфорилирует белки по остаткам серина и треонина. Снижение концентрации ионов кальция в клетке нарушает связь Протеинкиназы С с фосфатидилсерином и диацилглицеролом, фермент переходит в неактивную форму и отделяется от мембраны.

3.Протеинкиназы G

В отличие от Протеинкиназы А, протеинкиназа G присутствует не во всех тканях, её обнаруживают в лёгких, мозжечке, гладких мышцах и тромбоцитах. Изоформы Протеинкиназы G

Рис. 5-38. Регуляция активности протеинкиназы С (ПКС). ФС - фосфатидилсерин; ДАГ - диацилглицерол.

могут быть связаны с мембраной или находиться в цитоплазме. Растворимая протеинкиназа G состоит из двух идентичных субъединиц, каждая из которых имеет два центра для связывания цГМФ. Присоединение цГМФ к регуляторным центрам вызывает конформационные изменения субъединиц и повышает каталитическую активность фермента (рис. 5-39). Протеинкиназа G, подобно протеинкиназе А и С, специфична в отношении определённых белковых субстратов, которые она фосфорилирует по остаткам серина и треонина.

Ж. Фосфодиэстеразы

Фосфодиэстеразы - ферменты, катализирующие превращение цАМФ (рис. 5-40) или цГМФ в неактивные метаболиты АМФ или ГМФ. Фосфодиэстеразы, снижая концентрации вторичных посредников, разрывают цепь превращений, вызванных активатором рецептора.

Рис. 5-39. Регуляция активности протеинкиназы G (ПКG).

Рис. 5-40. Превращение цАМФ в АМФ.

257

Фосфодиэстеразы присутствуют в клетках тканей в 2 формах: в форме растворимого белка и мембранносвязанного. Формы фермента, связанные с мембраной, в разных тканях составляют 5-40%. В одной и той же ткани могут присутствовать разные формы фосфодиэстеразы, различающиеся по сродству к субстратам, молекулярному весу, заряду, регуляторным свойствам и локализации в клетке.

Фосфодиэстеразы циклических нуклеотидов не обладают абсолютной специфичностью, поэтому, как правило, одна и та же форма фермента способна гидролизовать как цАМФ, так и цГМФ. Однако скорости гидролиза этих двух нуклеотидов под действием одной и той же фосфодиэстеразы могут значительно различаться. Это зависит от того, какая фосфодиэстераза присутствует в клетке - более специфичная в отношении цАМФ или более специфичная к цГМФ, от соотношения концентраций цАМФ и цГМФ в клетке и от действия регуляторов фосфодиэстеразы.

В большинстве тканей присутствует фосфодиэстераза-1, более специфичная к цАМФ, активируемая Са2+, комплексом 4 Са2+-кальмодулин и цГМФ.

З. Аденилатциклазная система

При участии аденилатциклазной системы реализуются эффекты сотни различных по своей природе сигнальных молекул - гормонов, нейромедиаторов, эйкозаноидов.

Функционирование системы трансмембранной передачи сигналов обеспечивают белки: Rs-рецептор сигнальной молекулы, которая активирует аденилатциклазу, и Ri-рецептор сигнальной молекулы, которая ингибирует аденилатциклазу; Gs-стимулирующий и Gj-ингибирующий аденилатциклазу белки; ферменты аденилатциклаза (АЦ) и протеинкиназа А (ПКА) (рис. 5-41).

Последовательность событий, приводящих к активации аденилатциклазы:

связывание активатора аденилатциклазной системы, например гормона (Г) с рецептором (Rs), приводит к изменению конфор-мации рецептора и увеличению его сродства к Gs-белку. В результате образуется комплекс [Г][R][О-ГДФ]; присоединение [Г][R] к G-ГДФ снижает сродство б-субъединицы Gs - белка к ГДФ и увеличивает сродство к ГТФ. ГДФ замещается на ГТФ; это вызывает диссоциацию комплекса. Отделившаяся субъединица б, связанная с молекулой ГТФ, обладает сродством к адени-латциклазе:

[Г][R][0-ГТФ] → [Г][R] + б-ГТФ + вг;

взаимодействие б-субъединицы с аденилатциклазой приводит к изменению конфор-мации фермента и его активации, увеличивается скорость образования цАМФ из АТФ; конформационные изменения в комплексе [б-ГТФ][АЦ] стимулируют повышение ГТФ-фосфатазной активности б-субъединицы. Протекает реакция дефосфорилирования ГТФ, и один из продуктов реакции - неорганический фосфат (Pi) отделяется от б-субъединицы, а комплекс [б-ГДФ] сохраняется; скорость гидролиза определяет время проведения сигнала; образование в активном центре б-субъединицы молекулы ГДФ снижает его сродство к аденилатциклазе, но увеличивает сродство к вг-субъединицам. Gs-белок возвращается к неактивной форме; если рецептор связан с активатором, например гормоном, цикл функционирования Gs белка повторяется.

Активация протеинкиназы А (ПКА)

Молекулы цАМФ могут обратимо соединяться с регуляторными субъединицами ПКА. Присоединение цАМФ к регуляторным субъединицам (R) вызывает диссоциацию комплекса С2R2 на комплекс цАМФ4 R2 и С + С. Активная протеинкиназа А фосфорилирует специфические белки по серину и треонину, в результате изменяются конформация и активность фосфорилированных белков, а это приводит к изменению скорости и направления регулируемых ими процессов в клетке. Концентрация цАМФ. в клетке может регулироваться, она зависит от соотношения активностей ферментов аденилатциклазы и фосфодиэстеразы.

Большую роль в регуляции внутриклеточной сигнальной системы играет белок AKAPs. "Заякоренный" белок AKAPs участвует в сборке ферментных комплексов, включающих не только протеинкиназу А, но и фосфодиэстеразу и фосфопротеинфосфатазу.

Каскадный механизм усиления и подавления сигнала. Передача сигнала от мембранного рецептора через G-белок на фермент аденилатциклазу служит примером каскадной системы усиления этого сигнала. Одна молекула, активирующая рецептор, может "включать" несколько G-белков, и затем каждый активирует несколько молекул аденилатциклазы с образованием тысяч молекул цАМФ. На этом этапе сигнал усиливается в 102-103 раз. Образующийся цАМФ "включают" другой фермент - протеинкиназу А, усиливая сигнал ещё в 1000 раз. Фосфорилирование ферментов протеинкиназой А ещё больше усиливает сигнал, в результате суммарное усиление равно 106-107 раз. Таким образом, по механизму каскадного усиления одна молекула регулятора способна изменить активность миллионов других молекул. Но для любой из систем трансмембранной передачи сигнала клетка имеет другую еистему, подавляющую этот сигнал. Каждый из этапов в ферментном каскаде находится под контролем специальных подавляющих этот сигнал механизмов. Например, длительное действие гормона приводит к десенсибилизации мембранных рецепторов: они либо инактивируются, либо вместе с гормоном погружаются в клетку посредством эндоцитоза. В результате десенсибилизации рецепторов степень активации аденилатциклазной системы снижается. Если в клетке длительное время повышена концентрация цАМФ (повышена активность протеинкиназы А), может происходить фосфорилирование кальциевых каналов, что приводит к повышению концентрации Са2+ в клетке. Кальций активирует Са2+-зависимую фосфодиэстеразу, катализирующую превращение цАМФ в АМФ. В результате инактивации протеинкиназы А (R2C2) снижается скорость фосфорилирования специфических ферментов. Завершает "выключение" системы фосфопротеинфосфатаза, дефосфорилирующая фосфопротеины.

Рис. 5-41. Аденилатциклазная система.

Влияние бактериальных токсинов на активность аденилатциклазы (АДФ-рибозилирование G-белков)

Для изучения функционирования G-белков аденилатциклазной системы были использованы экзогенные бактериальные яды - холерный и коклюшный токсины. Токсины в экспериментальных условиях повышают активность аденилатциклазы практически во всех клетках организма; так, холерный токсин может стимулировать секрецию тиреоидных гормонов клетками щитовидной железы, стероидных гормонов клетками надпочечников, распад жиров в жировых клетках. Реакция разных клеток на холерный токсин вызвана повышением уровня цАМФ в этих клетках.

Холерный токсин - олигомерный белок. Одна из субъединиц - фермент АДФ-рибозилтрансфераза; проникая в клетку, она катализирует присоединение АДФ-рибозы к ос8-субъединице комплекса [бs-ГТФ][АЦ] (этап активации аденилатциклазы).

NAD++ [бiвг-ГТФ][АЦ] → [АДФ-рибозил-бs ГТФ[АЦ] + никотинамид + Н+.

АДФ-рибозилирование ингибирует проявление ГТФ-фосфатазной активности бs-субъединицы, не происходит дефосфорилирование ГТФ. Цикл функционирования Gs-белка останавливается на этапе активации фермента аденилатциклазы, отвечающего за образование цАМФ из АТФ. Фермент аденилатциклаза сохраняет повышенную активность в течение длительного времени.

Субъединица коклюшного токсина, проникая в клетку, катализирует АДФ-рибозилирование б-субъединицы активированного Gs-белка

NAD++ [бiвг-ГТФ] -" [АДФ-рибозил - бiвг-ГТФ] + никотинамид + Н+.

Модифицированная б,-субъединица сохраняет высокое сродство к вг-субъединицам, т. е. Gi-белок теряет способность диссоциировать на бi-ГТФ и вг-субъединицы. Таким образом, ингибирующий сигнал (бi-ГТФ) не достигает аденилатциклазы, значит в этом случае возможна только её активация при связывании с бs-ГТФ. Действие коклюшного токсина на клетки тканей всегда приводит к повышению уровня цАМФ.

Симптомы холеры и коклюша развиваются в результате действия токсинов, вырабатываемых соответствующими микроорганизмами.

И. Инозитолфосфатная система

Функционирование инозитолфосфатной системы трансмембранной передачи сигнала (рис. 5-42) обеспечивают: R (рецептор), фосфолипаза С, Gplc - белок, активирующий фосфолипазу С, белки и ферменты мембран и цитозоля.

Последовательность событий, приводящих к активации фосфолипазы С:

связывание сигнальной молекулы, например гормона с рецептором (R), вызывает изменение конформации и увеличение сродства к Ор1с-белку. образование комплекса [Г] [К][Срlс-ГДФ] приводит к снижению сродства б-протомера Срlс-белка к ГДФ и увеличению сродства к ГТФ. ГДФ заменяется на ГТФ. это вызывает диссоциацию комплекса; отделившаяся б-субъединица, связанная с молекулой ГТФ, приобретает сродство к фос-фолипазе С. б-ГТФ взаимодействует с фосфолиггазой С и активирует её. Под действием фосфолипа-зы-С происходит гидролиз липида мембраны фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата (ФИФ2). в ходе гидролиза образуется и выходит в цитозоль гидрофильное вещество инозитол-1,4,5-трифосфат (ИФ3). Другой продукт реакции диацилглицерол (ДАГ) остаётся в мембране и участвует в активации фермента протеинкиназы С (ПКС). инозитол-1,4,5-трифосфат (ИФ3) связывается специфическими центрами Са2+-канала мембраны ЭР, это приводит к изменению конформации белка и открытию канала - Са2+ поступает в цитозоль. В отсутствие в цитозоле ИФ3 канал закрыт.

Активация протеинкиназы С