концентрация цАМФ в клетке может регулироваться, она зависит от соотношения активностей ферментов аденилатциклазы и фосфодиэстеразы.
Большую роль в регуляции внутриклеточной сигнальной системы играет белок АКАРs. "Заякоренный" белок АКАРs 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 систему, 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. Калций активирует Са²+-зависимую фосфодиэстеразу, катализирующую превращение цАМФ в АМФ. В результате инактивации протеинкиназы А (R2С2) снижается скорость фосфорилирования специфических ферментов. Завершает "выключение" системы фосфопротеинфосфатаза, дефосфорилирующая фосфопротеины.
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 αs-субъединице комплекса [αs - ГТФ] [АЦ] (этап активации аденилатциклазы).
NAD+ + [αs, - ГТФ] [АЦ] - [АДФ - рибозил - αs ГТФ] [АЦ] +никотинамид + Н+
АДФ-рибозилирование ингибирует проявление ГТФ-фосфатазной активности αs - субъединицы, не происходит дефосфорилированние ГТФ. Цикл функционирования G-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 αi-субъединицы активированного Gi-белка(αiβγ-ГТФ).
NAD+ [αiβγ-ГТФ] - [АДФ-рибозил-αiβγ-ГТФ] + никотинамид + Н+
Модифицированная αi - субъединица сохраняет высокое сродство к βγ - субъединицам, те. Gi-белок теряет способность диссоциировать на αi - ГТФ и βγ-субъединицы. Таким образом, ингибирующий сигнал (αi-ГТФ) не достигает аденилатциклазы, значит в этом случае возможна только её активация при связывании с αs-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.
Функционирование инозитолфосфатной системы трансмембранной передачи сигнала обеспечивают: R (рецептор), фосфолипаза С, Gрlс - 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 Gplc-белку.
образование комплекса [Г] [R] [Gрlс ГДФ] приводит к снижению сродства α-протомера G рlс белка к ГДФ и увеличению сродства к ГТФ. ГДФ заменяется на ГТФ.
это вызывает диссоциацию комплекса; отделившаяся α-субъединица, связанная с молекулой ГТФ, приобретает сродство к фосфолипазе С.
α-ГТФ взаимодействует с фосфолипазой С и активирует её. Под действием фосфолипазы С происходит гидролиз липида мембраны фосфатидилинозитол-4,5 - биофосфата (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.
• Повышение концентрации Са²+ в цитозоле клетки увеличивает скорость
взаимодействия Са²+ с неактивным цитозольным ферментом протеинкиназой С(ПКС) и белком кальмодулином, таким образом сигнал, принятый рецептором клетки, раздваивается.
• Связывание протеинкиназы С с ионами кальция позволяет ферменту вступать в кальций-опосредованное взаимодействие с молекулами "кислого" фосфолипида мембраны, фосфатидилсерина (ФС). Диацилглицерол, занимая специфические центры в протеинкиназе С, ещё более увеличивает её сродство к ионам кальция.
• На внутренней стороне мембраны образуется ферментативный комплекс - [ПКС] [Са²+] [ДАГ] [ФС] - активная протеинкиназа С, фосфорилирующая специфические ферменты по серину и треонину.
В клетках многих тканей присутствует белок кальмодулин, который функционирует как внутриклеточный рецептор Са²+, он имеет 4 центра для связывания Са²+. Комплекс [кальмодулин] - [4Са²+] не обладает ферментативной активностью, но взаимодействие комплекса с различными белками и ферментами приводит к их активации.
Как и большинство систем трансмембранной передачи сигналов, инозитолфосфатная система имеет не только механизм усиления, но и механизм подавления сигнала. Присутствующие в цитозоле инозитол-1,4,5-трифосфат ((ИФ3) и диацилглицерол (ДАГ) в мембране могут в результате серии реакций опять превращаться в фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат (ФИФ2). Ферменты, катализирующие восстановление фосфолипида, активируются фосфорилированием протеинкиназой С.
Концентрация Са²+ в клетке снижается до исходного уровня при действии Са²+-АТФ-аз цитоплазматической мембраны и ЭР, а также Na+/Са²+-и Н+/Са²+-транслоказ (активный антипорт) клеточной и митохондриальной мембран.
Функционирование транслоказ Са²+ и Са²+-АТФ-аз может активироваться:
комплексом [камьмодулин] [4 Са] ;
протеинкиназой А (фосфорилированием);
протеинкиназой С (фосфорилированием). Понижение концентрации Са2 в клетке и диацилглицерола в мембране приводит к изменению конформации протеинкиiiазы С, снижению её сродства к фосфатидилсерину, фермеiтт диссоциирует в цитозоль (неактивная форма).
Фосфорилированные протеинкиназой С ферменты и белки под действием фосфопротеинфосфатазы переходят в дефосфорилированную форму.
α-субъединица играет главную роль в функционировании G-белков. Она связывает ГТФ. Она обратимо взаимодействует с β и γ субъединицами, присоединяясь к ним, когда в центре находится ГДФ и диссоциируя, когда в центре ГТФ. При связывании ГТФ α субъединица активируется и приобретает способность регулировать эффекторные системы внутриклеточные. α субъединицы части G-белков могут подвергаться химическим модификациям. Под воздействием холерного и коклюшного токсинов происходит ФДФ-риболизирование белков по аргининовому и цистеиновому остатку на С-конце, в результате чего нарушается нормальное функционирование G-белков.
Кроме того, протеинкиназа С может фосфорилировать α-субъединицу очищенного G-белка, а invivо белка Gz. По-видимому белки при этом инактивируются.
Большинство G-белков имеет α-субъединицы с молекулярным весом около 40 Кд.
Бета и гамма субъединицы образуют комплекс друг с другом, распадающийся только в денатурирующих условиях. До конца их роль не ясна. В экспериментах с трансдуцином, а затем с белком Gi было показано, что субъединицы бета и гамма необходимы для взаимодействия G-белка с рецептором и замещения ГДФ на ГТФ.
Бета-гамма комплекс прочно связан с мембраной и служит якорем для α-субъединицы. При отделении α-субъединицы бета-гамма комплекс может переходить в цитоплазму.
Кроме связывания и ингибирования активности α-субъединицы бета - гамма комплекс в некоторых случаях оказывает прямое воздействие на эффекторные системы клетки. Он активирует фосфолипазу А2, взаимодействует с кальмодулином благодаря чему ингибирует активность аденилатциклазы мозга. G-бета-гамма комплекс ингибирует стимуляцию