го, специфичная протеинфосфатаза Р-субъединицы стимулируется цАМФ, в то время как протеинфосфатаза синапсина 1 нечувствительна к этому нуклеотиду. Таким образом, цАМФ может стимулировать как аутофосфорилирование, так и (наряду с кальцинейрином) дефосфорилирование Р-субъединицы А-киназы II типа.

Для понимания многообразия и важности функций систем фосфорилирования —дефосфорилирования важны недавние сообщения о выделении эндогенной Са-независимой протеина-зы, тесно ассоциированной с нейрофиламентами и другими компонентами цитоскелета. Эта протеиназа "атакует" только не-фосфорилированные нейрофиламенты, расщепляя их на лишенные биологической активности фрагменты. Следовательно, фосфорилирование защищает белки цитоскелета от деградации, обусловленной действием эндогенных, Са-независимых протеиназ.

364

Напротив, Са-активируемые нейтральные протеиназы с помощью ограниченного протеолиза расщепляют фосфорилирован-ную форму нейрофиламентов (которой особенно богаты аксоны) на биологически активные фрагменты. Установлено, что фосфорилирование белков цитоскелета, в частности нейрофиламентов (скорее всего с помощью А-киназы), —необходимое условие для их сборки в организованные, морфологически единые структуры.

¦ Таким образом, состояние цитоскелета нервных клеток определяется как цАМФ-зависимым фосфорилированием его компонентов, так и Са-зависимым дефосфорилированием (как упоминалось, в нейронах кальцинейрин тесно связан с микротрубочками): степень фосфорилирования белков цитоскелета, в свою очередь, может регулировать их избирательную чувствительность к Са-зависимой и Са-независимой протеиназной атаке. Протеинфосфатазы играют весьма важную роль в функционировании нервной ткани. Так, наряду с протеинфосфатазами 1, 2А, 2С, 2В и фосфатазным ингибитором 1 в мозге присутствуют эндогенные фосфатазы синапсина, миелина, Р-субъеди-ницы А-киназы II типа, а также специфические ингибиторы фосфопротеинфосфатазной активности — DARPP-32 и G-суб-страт, активность которых регулируется фосфорилированием. Можно думать, что в нервной ткани физиологическое действие нейромедиаторов в ряде случаев модулируется протеинфосфа-тазной активностью.

10.6. ГИПОТЕЗЫ О РОЛИ ПРОТЕИНКИНАЗ И ДРУГИХ

ПОСТСИНАПТИЧЕСКИХ ТРАНСФОРМАТОРОВ СИГНАЛА В МЕХАНИЗМАХ ПАМЯТИ

Полагают, что более или менее долговременная память включает стойкое изменение степени взаимодействия нейронов в области синапсов. Биохимии памяти посвящена одиннадцатая глава данного учебника. Однако здесь уместно рассмотреть одну из важных гипотез о механизмах памяти, связанную с протеинки-назами и некоторыми другими системами постсинаптической трансформации сигнала.

Она состоит в том, что информация может храниться на периферии клетки в образованиях, имеющихся в каждом синапсе нейрона. Эти образования не содержат ДНК и состоят из таких нестабильных молекул, как белки. В свою очередь, среди белков наиболее подходящими субстратами для хранения информации являются протеинкиназы. По последним данным, "про-

365

теинкиназный механизм" может объединять внутриядерные и цитоплазматические процессы формирования долговременной памяти.

Установлено, что ассоциативное обучение связано со стимулированием глутаматом ^-мгтш-Ъ-аспартат-рецепторов, соответствующим увеличением Са-тока и деполяризацией постсинаптической мембраны клеток мозга, в частности гиппокам-па. При этом происходит долговременная модификация расположенной в постсинаптических уплотнениях В-киназы II типа, обусловленная как мультисубъединичной структурой фермента, так и способностью к аутофосфорилированию его а- и (3-субъединиц. Показано, например, что долговременная зрительная адаптация у беспозвоночных (Drosophila) сопровождается стабильным изменением в степени фосфорилирования и внутриклеточной компартментализации В-киназы II типа.

Киназа В II типа состоит примерно из 12 субъединиц. Каждая субъединица имеет 2-3 фосфорилируемых участка. По всей видимости, АТФ выступает в роли аллостерического модулятора, изменяя способность к аутофосфорилированию различных участков холофермента. В присутствии Са2+ все участки холо-фермента могут включать фосфат с помощью аутофосфорили-рования. Однако Са2+ необходим для фосфорилирования только первых 3-4 участков. Такое фосфорилирование "включает" холофермент — переводит его в Са-независимое состояние, в котором как аутофосфорилирование оставшихся (нефосфори-лированных) участков, так и фосфорилирование других субстратов может проходить в отсутствие Са24". Киназа остается во "включенном" состоянии достаточно долго, так как встраиваемые в холофермент вновь синтезированные нефосфорилиро-ванные субъединицы взамен деградированных фосфорилиру-ются, если фермент "включен", и остаются нефосфорилиро-ванными, если фермент "выключен".

Итак, интенсивная Са-имиульсация приводит к аутофосфорилированию киназы, причем "включенные" ферменты далее полностью фосфорилируются независимо от Са2*, а "выключенные" (менее 3 фосфатов на 1 моль киназы) дефосфорилиру-ются после удаления Са2+ протеинфосфатазами 1 или 2А.

¦ Таким образом, долговременное хранение систематизированной информации может быть обусловлено "включением" на достаточно длительное время различного числа (в зависимости от силы и длительности импульса) молекул холофермента В-киназы II типа, расположенных в зоне постсинаптического уплотнения.

366

Кроме аутофосфорилирования в механизме долговременного хранения информации задействованы, по всей видимости, еще два типа посттрансляционной модификации протеинкиназ — это изменение внутриклеточной локализации киназ и специфический протеолиз. Так, например, как упоминалось, изменение компартментализапии К-субъединицы А-киназы может индуцировать экспрессию генов в нейронах. Есть также основания считать, что протеолиз Р-субъединиц А-киназы принимает непосредственное участие в процессах долговременной памяти. Установлено, что при длительной активации происходит "исчезновение" Р-субъединиц. Так, обработка аналогами цАМФ синаптосом аплизии в течение 2 часов приводит к потере половины Р-субъединиц вследствие их протеолитического расщепления. Известно, что Р-субъединицы имеют участок, высокочувствительный к протеиназной атаке. Этот участок находится рядом с участком связывания Р с К-субъединицей и в холоферменте защищен (экранирован) от действия протеиназ. При диссоциации холофермента А-киназы в присутствии цАМФ такое экранирование снимается: в результате появляются фрагменты Р-субъединиц с Мг = 35 кД, которые обладают способностью связывать цАМФ, но не К-субъединицу. Следствием этого события является длительная стимуляция фосфорилирую-щей активности, которая продолжается уже после прекращения сигнала цАМФ.

¦ Таким образом, рассмотренные три посттрансляционньгх модификации протеинкиназ способствуют тому, что кратковременные стимулы вторичных посредников приводят к долговременным изменениям в нейрональной активности.

10.7. G-БЕЛКИ

Как уже показано выше, главная функция G-белков состоит в сопряжении активированных рецепторов на поверхности клетки с внутриклеточными эффекторами, генерирующими вторичные посредники. Однако G-белки могут также принимать участие в гормональной регуляции активности ионных каналов мембран независимо от внутриклеточных посредников (цАМФ, цГМФ и Са2+). Следовательно, G-белки способны непосредственно взаимодействовать с ионными каналами. Кроме того, мишенью действия G-белков могут быть пока неидентифицированные регу-ляторные компоненты мембран: активированные с помощью G-белков, эти компоненты способны, в свою очередь, прямо взаимодействовать с потенциал-зависимыми ионными канала-

367

ми, обусловливая стимулирование или ингибирование активности каналов.

Свидетельства таких функций G-белков получены в опытах на нейронах агошзии. Известно, что действие внеклеточных сигналов, приводящих к увеличению калиевой проводимости, блокируется с помощью обработки клеток коклюшным токсином. Коклюшный токсин препятствует связыванию ГТФ с G-белка-ми, тем самым подавляя действие ингибиторов аденилатциклазы; при этом токсин АДФ риболизируета-субъединицу G^ Введение в нейрон негидролизуемых аналогов ГТФ, способных активировать G-белки в отсутствие внеклеточных стимулов, также приводит к увеличению К-проводимости. Наконец, стимулирование К-каналов обусловливает преинкубация с нейронами именно ос-субъединицы Gj, другие нечувствительные к коклюшному токсину G-белки подобным действием не обладают. Таким образом, в нервной ткани Gj, очевидно, принимает непосредственное участие в стимулировании гормонами К-проводимости мембран.

В клетках гипофиза и коркового слоя надпочечников описан независимый от вторичных посредников механизм секреции гормонов, связанный с модулированием G-белками активности потенциал-зависимых Са-каналов. Так, в культуре клеток коркового слоя надпочечников ангиотензин II стимулирует Са-ток. Это стимулирование не зависит от внутриклеточной концентрации А- и G-киназ или стимулирующих С-киназы фор-боловых эфиров, но предотвращается предварительной обработкой клеток коклюшным токсином. Следовательно, в активации Са-каналов этого типа клеток, так же, как и в случае К-каналов нейронов аплизии, могут принимать участие G-белки непосредственно (без участия вторичных посредников и стимулирования соответствующих киназ).

В клетках гипофиза в отличие от клеток надпочечников активность потенциал-зависимых Са-каналов ингибируется с помощью G-белков (независимо от цАМФ), при этом происходит усиление гормональной секреции.

Коклюшный токсин и аналоги ГДФ, препятствующие активации G-белков, блокируют действие гормонов в ганглиях задних корешков спинного мозга и гибридных клетках нейробла-стомы и глиомы. Аналоги ГТФ, стимулирующие G-белки, напротив, восстанавливают чувствительность к гормонам этих типов клеток. Можно полагать, что ингибирование Са-каналов с помощью G-белков в нейронах млекопитающих является основой молекулярного механизма высвобождения нейромедиа-

368

торов, обусловленного активацией пресинаптических рецепторов.

Обработка коклюшным токсином гибридных клеток нейроб-ластом