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 Gi-ингибирующий аденилатциклазу белки; ферменты аденилатциклаза (АЦ) и протеинкиназа А (ПКА) (рис. 5-41).
Рис. 5-41. Аденилатциклазная система
Последовательность событий, приводящих к активации аденилатциклазы:
связывание активатора аденилатциклазной системы, например гормона (Г) с рецептором (Rs), приводит к изменению конформации рецептора и увеличению его сродства к Gs-белку. В результате образуется комплекс [Г] [R] [G-ГДФ];
присоединение [Г] [R] к G-ГДФ снижает сродство α-субъединицы Gs-белка к ГДФ и увеличивает сродство к ГТФ. ГДФ замещается на ГТФ;
это вызывает диссоциацию комплекса. Отделившаяся субъединица а, связанная с молекулой ГТФ, обладает сродством к аденилатциклазе:
[Г][R][G-ГТФ] → [Г][R] + α-ГТФ + βγ;
взаимодействие α-субъединицы с аденилат-циклазой приводит к изменению конформации фермента и его активации, увеличивается скорость образования цАМФ из АТФ;
конформационные изменения в комплексе [а-ГТФ] [АД] стимулируют повышение ГТФ-фосфатазной активности α-субъединицы. Протекает реакция дефосфорилирования ГТФ, и один из продуктов реакции — неорганический фосфат (Pi) отделяется от α-субъединицы, а комплекс [α-ГДФ] сохраняется; скорость гидролиза определяет время проведения сигнала;
образование в активном центре α-субъединицы молекулы ГДФ снижает его сродство к аденилатциклазе, но увеличивает сродство к βγ-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 R2C2 на комплекс цАМФ4R2 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 — протеи нкиназу 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. 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.
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-рибозилтранс-фераза; проникая в клетку, она катализирует присоединение АДФ-рибозы к αs-субъединице комплекса [αs-ГТФ] [АД] (этап активации аденилатциклазы).
АДФ-рибозилирование ингибирует проявление ГТФ-фосфатазной активности α-субъединицы, не происходит дефосфорилирование ГТФ. Цикл функционирования выбелка останавливается на этапе активации фермента аденилатциклазы, отвечающего за образование цАМФ из АТФ. Фермент аденилатциклаза сохраняет повышенную активность в течение длительного времени.
Модифицированная αi-субъединица сохраняет высокое сродство к βγ-субъединицам, т.е. 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 αiГТФ. Действие коклюшного токсина на клетки тканей всегда приводит к повышению уровня цАМФ.
Симптомы холеры и коклюша развиваются в результате действия токсинов, вырабатываемых соответствующими микроорганизмами.
