изиологии и медицины.

Задача настоящей главы состоит в сравнительно детальном рассмотрении постсинаптических механизмов. При этом иногда повторяются материалы глав 7-9, но уже на более высоком уровне сложности.

10.1. цАМФ-ЗАВИСИМОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

10.1.1. Аденилатциклаза, ее активация

Синтез в клетке цАМФ из АТФ осуществляет аденилатциклаза. Фермент обнаружен практически во всех тканях млекопитающих. Максимальная активность аденилатциклазы выявлена в мозге, далее в порядке убывания активности фермента ткани можно распределить следующим образом: селезенка, скелетные мышцы, сердце, легкие, почка, печень, жировая ткань. Аденилатциклаза локализована почти исключительно в плазматических мембранах, хотя есть сообщения о присутствии фермента в митохондриальной и микросомальной фракциях.

Аденилатциклаза представляет собой мультимолекулярный комплекс, состоящий из рецепторного (расположенного на наружной поверхности клеточной мембраны) и каталитического (на внутренней стороне мембраны) компонентов. Ответ клетки на действие гормона или биологически активного вещества зависит от концентрации рецепторов на поверхности мембраны и степени сопряжения рецепторов с аденилатциклазой. В последнем случае в роли сопрягающего компонента выступают G-белки, обладающие как ГГФ-связывающей, так и ГТФ-гид-ролизующей активностью.

Рецептия с участием G-белков (см. также гл.8) отличается от других известных систем трансформации внеклеточного сигнала. Все эти системы включают рецептор — дискриминатор сигнала, с высокой специфичностью и чувствительностью "снимающий" внеклеточный сигнал с наружной мембраны. Рецептор может находиться внутри клетки — в том случае, если эффекторы являются липофильными молекулами, легко проникающими через мембрану (например стероидные гормоны). Рецепторы для водорастворимых эффекторов встроены в наружную мембрану: эти рецепторы могут быть ферментами (тирозинки-назы); другой тип мембрановстроенных рецепторов сопряжен с

335

ионными каналами. Наконец, рецепторы, которым не присущи свойства ни канала, ни фермента, сопряжены с ферментами-исполнителями с помощью G-белков.

Регуляцию аденилатциклазной системы с участием G-белков можно представить следующим образом. В системе есть два белка, состоящих из субъединиц а, р и у и названных Gs (стимулирующий) и Gj (ингибирующий). р- у-субъединицы в отличие от а-субъединиц практически идентичны во всех изученных G-белках. а-субъединица содержит участок связывания с гуаниловыми нуклеотидами и обладает ГТФазной активностью. Каждый из G-белков связан (не ковалентно!) со своим рецептором. При образовании комплекса агонист-рецептор происходит активация G-белка путем замены в ную1еотидсвязывающем центре ГДФ на ГТФ. При этом изменяется конформация а-субъединицы, что обусловливает ее диссоциацию от комплекса ру. Для диссоциации необходим Mg2+. Активированная а-субъединица G| ингибирует активность аденилатциклазы, в то время как активированная Gs — стимулирует ее.

Очевидно, почти идентичные по структуре комплексы Ру могут ингибировать аденилатциклазу непрямым способом, а именно, путем связывания с ct-субъединицей Gs, таким образом "выключая" ее способность стимулировать фермент. Действительно, во многих исследованных тканях, в том числе в нервной, концентрация Gj значительно выше, чем Gs. Следовательно, возможно высвобождение достаточного количества комплекса Ру из Gi для соединения со всеми а-субъединицами Gs. Сопрягающий эффект G-белков прекращается медленным гидролизом связанного ГТФ до ГДФ. G-белки могут быть снова активированы при связывании рецептора с "сигнальной" молекулой.

Установлено, что рецепторы многих гормонов собраны в группы, кластеры и малоподвижны в мембране. Поэтому при активации кластера, состоящего из рецепторов одного типа, происходит стимулирование аденилатциклазы и увеличение уровня цАМФ в ограниченном районе клетки. Это ведет к повышению протеинкиназной активности и фосфорилированию субстратов только в данной зоне клетки, в данном компартменте. Компар-тментализация цАМФ и А-киназы установлена во многих типах клеток: например, стимуляция сердца как с помощью кате-холаминов, так и простагландина Ej приводит к увеличению уровня цАМФ и активации протеинкиназы А. Однако катехо-ламины и простагландин Ei оказывают различное влияние на фосфорилирование фосфорилазы гликогена. Видимо, рецепто-

336

ры катехоламинов и простагландина и соответствующие постсинаптические системы расположены в разных компартментах клетки.

10Л.2. Протеинкиназа

Через 10 лет после открытия Сазерлендом цАМФ была обнаружена цАМФ-зависимая протеинкиназа, значительно повышающая скорость фосфорилирования субстратов в присутствии цАМФ. Реакция протеинфосфорилирования выглядит следующим образом:

протеинкиназа

Белок - ОН + АТФ--> Белок -О- РОэН2 + АДФ

Гидроксильная группа белка, акцептирующая терминальный фосфат АТФ, почти всегда принадлежит серину, реже — треонину и тирозину. Фосфосериновые остатки в белках существенно ионизированы при физиологических значениях рН, поэтому фосфорилирование или дефосфорилирование серина резко меняет заряд белковых молекул. После открытия протеинкиназы А стало ясно, что реакции фосфорилирования — дефосфо-рилирования опосредуют действие многих гормонов и нейромедиаторов, которые через р-адренергическую рецептию активируют аденилатциклазу и приводят к повышению внутриклеточного уровня цАМФ.

Протеинкиназа А обнаружена во всех нормальных клетках млекопитающих, а также в некоторых типах клеток немлекопитающих. Высоким уровнем протеинкиназы А отличается мозг, где фермент распределен равномерно по всем отделам. Для проявления активности фермента необходимы ионы магния. Так, из легких кролика выделен стимулирующий модулятор протеинкиназы, связывающий магний и названный "магмодулином". Протеинкиназа А — тетрамер, построенный из двух различных субъединиц: регуляторной (Р), связывающей цАМФ, и каталитической (К), осуществляющей фосфотрансферазную реакцию; будучи соединены вместе, они образуют неактивный комплекс (холофермент). При активации происходит связывание цАМФ Р-субъединицей холофермента, после чего возможна диссоциация Р от К-субъединицы. Свободная К-рубъедини-ца способна катализировать фосфорилирование различных клеточных белков:

Р2К2 + 4цАМФ % Р2цАМФ4 + 2К

337

¦ Таким образом, в активном состоянии протеинкиназа А представляет димер Р-субъединиц, связанный с 4 молями цАМФ, и 2 свободные К-субъединицы.

Скорость обратной реакции обусловлена не только спонтанной диссоциацией комплексов Р— цАМФ, но и концентрацией К-субъединиц, так как последние высвобождают связанный цАМФ путем рекомбинации с комплексом Р— цАМФ. Этот своеобразный "ретрокооперативный" эффект К-субъединицы, названный так Свилленсом и Дюмоном (1976), ведет к временному увеличению концентрации цАМФ, требуемой для активации протеинкиназы. В период стимуляции системы уровень К-субъединиц резко падает.

Существование эквивалентных количеств каталитических и регуляторных субъединиц цАМФ-зависимой протеинкиназы во многих тканях привело к представлению о том, что единственная функция регуляторной субъединицы —контроль протеин-киназной активности. Однако регуляторная субъединица может существовать отдельно от каталитической в некоторых типах клеток, например в клетках нейробластомы. Это указывает на возможность проявления биологического действия регуляторной субъединицы независимо от каталитической. Далее будет рассмотрена такая возможность на примере изменения проницаемости мембран нейронов для Na+ и К в присутствии Р-субъединицы. Надо также иметь в виду, что цАМФ-связываю-щие белки, не ассоциированные с протеинкиназой, могут регулировать активность последней путем модулирования уровня свободного циклического нуклеотида, способного присоединяться к протеинкиназе.

Отметим далее, что свободные Р-субъединицы ингибируют фосфодиэстеразу цАМФ, что может приводить к увеличению уровня этого нуклеотида в клетке. Установлено также, что свободные Р-субъединицы протеинкиназы типа А в отличие от хо-лофермента киназы и ее К-субъединицы ингибируют фосфо-протеинфосфатазы нескольких типов. Ингибирование обусловлено снижением скорости катализа без изменения сродства к энзиму. Очевидна физиологическая значимость такого ингиби-рования, так как в этом случае диссоциация А-киназы может способствовать не только стимулированию фосфорилирующей активности (высвобождению свободной К-субъединицы), но и ингибированию дефосфорилирования субстратов (появлению свободных Р I и Р II субъединиц).

Протеинкиназа А существует в форме двух изоферментов, относительное количество которых варьирует в разных тканях.

338

Изоферменты были названы киназами I и II. Они имеют различные скорости диссоциации в присутствии гистона и растворов NaCl и реассоциации после удаления цАМФ. Так, киназа I типа быстро диссоциирует в присутствии гистона или 0,5 М NaCl и медленно реассоциирует после удаления цАМФ; напротив, киназа II типа медленно диссоциирует в присутствии указанных агентов и быстро реассоциирует после удаления цАМФ.

Каталитические субъединицы киназ I и II типа имеют молекулярную массу 40 кД и минимальные различия в аминокислотном составе. Напротив, регуляторные субъединицы киназ I и II типа значительно отличаются по первичной структуре. Вероятно, субъединица Р I типа — 49 кД — является протеолитиче-ским фрагментом Р II типа с молекулярной массой 55 кД. Один из сериновых остатков Р-субъединицы II типа фосфорилирует-ся каталитической субъединицей цАМФ-зависимой протеинкиназы. Очищенная же Р-субъединица I типа не фосфорилиру-ется каталитической субъединицей иАМФ-зависимой протеинкиназы. Другим отличием киназы I типа от II типа является то, что только первый фермент связывает Mg-АТФ с высоким сродством.

цАМФ-зависимые протеинкиназы локализованы в основном в цитозольной фракции клеток. Однако в мозге, например, значительная часть киназы II типа (40-50%) является мембранно-связанной. Очевидно, субклеточная локализация и соотношение киназ I и II типа могут обусловливать специфику действия цАМФ в клетке. От