Роль циклических АМФ и ГМФ

Введение. 

Циклический 3`5`-монофосфат (циклический АМФ) действует в  качестве внутриклеточного вторичного медиатора для множества разнообразных  пептидных гормонов и биогенных  аминов, лекарственных средств и  токсинов. Следовательно, изучение аденилатциклазной системы необходимо для понимания патофизиологии и лечения многих болезней. Исследование роли вторичного медиатора циклического АМФ расширило наши знания об эндокринной, нервной и сердечнососудистой регуляции. И наоборот, исследования, ставившие своей целью разгадать биохимические основы определенных заболеваний, способствовали пониманию молекулярных механизмов, регулирующих синтез циклического АМФ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Биохимия.

Последовательность  действия ферментов, участвующих в  реализации эффектов гормонов (первичных медиаторов) осуществляющихся через циклический АМФ, представлена на 67-1, а перечень гормонов, действующих с помощью этого механизма, приведен в табл. 67-1. Деятельность этих гормонов инициируется их связыванием со специфическими рецепторами, расположенными на наружной поверхности плазматической мембраны. Комплекс гормон — рецептор активирует связанный с мембраной фермент аденилатциклазу, которая синтезирует циклический АМФ из внутриклеточного АТФ. Внутри клетки цикличе­ский АМФ передает информацию от гормона, связываясь с собственным рецептором и активируя этот рецептор-зависимую от циклического АМФ протеинкиназу. Активированная протеинкиназа передает концевой фосфор АТФ специфическим белковым субстратам (как правило, ферментам). Фосфорилирование этих ферментов усиливает (или в некоторых случаях угнетает) их каталитическую активность. Измененная активность этих ферментов и вызывает характерное действие определенного гормона на его клетку-мишень. 

Второй класс  гормонов действует путем связывания с мембранными рецепторами, которые ингибируют аденилатциклазу. Действие этих гормонов, обозначаемых Ни, в отличие от стимулирующих гормонов (Не) описано ниже более детально. На 67-1 показаны также дополнительные биохимические механизмы, ограничивающие действие циклического АМФ. Эти механизмы также могут регулироваться при участии гормонов. Это позволяет осуществлять тонкую настройку функции клеток с помощью дополнительных нервных и эндокринных механизмов. 

Биологическая роль циклического АМФ. Каждая из белковых молекул, участвующих в сложных механизмах стимулирования — угнетения, представленных на 67-1, представляет собой потенциальное место регуляции гормональной реакции на терапевтическое и токсическое действие лекарственных средств и на патологические изменения,, возникающие в ходе забо­левания. Специфические примеры таких взаимодействий обсуждаются в последующих разделах этой главы. Для сведения их воедино следует рассмотреть общие биологические функции АМФ в качестве вторичного медиатора, что целесообразно сделать на примере регуляции процесса высвобождения глюкозы из запасов гликогена, содержащихся в печени (биохимическая система, в которой был обнаружен циклический АМФ), с помощью глюкагона и других гормонов. 

67-1. Циклический АМФ — вторичный внутриклеточный медиатор для гормонов.

Внутриклеточные эффекты циклического АМФ опосредуются или регулируются белками по меньшей  мере пяти дополнительных классов. Первый из них — зависимая от цАМФ протеинкиназа — состоит из регулирующих  и каталитических субъединиц. В голоэнзиме субъединица каталитически неактивна. Циклический АМФ действует, связываясь с субъединицами регулирующих, высвобождая субъединицы каталитических из комплекса цАМФ-Р. Свободные каталитические субъединицы катализируют передачу концевого фосфора АТФ в специфические белковые субстраты, например, фосфорилазкиназу. В фосфорилированном состоянии эти белковые субстраты (обычно ферменты) инициируют характерные эффекты циклического АМФ внутри клетки (например, активацию гликогенфосфорилазы, ингибирование гликогенсинтетазы). Доля белковых субстратов киназы в фосфорилированном состоянии  егулируется белками двух дополнительных классов: ингибирующий киназу белок обратимо связывается с каталитическим делая ее каталитически неактивной Фосфатазы  превращают  обратно в специфические белковые субстраты, отнимая ковалентно связанный фосфор.

Перенос гормональных сигналов через плазматическую мембрану. Биологическая стабильность и структурная  сложность пептидных гормонов, подобных глюкагону, делают их носителями разнообразных гормональных сигналов между клетками, но ослабляют их способность проникать через клеточные мембраны. Гормончувствительная аденилатциклаза позволяет информационному содержанию гормонального сигнала проникать через мембрану, хотя сам гормон не может проникнуть через нее. 

Таблица 67-1. Гормоны, для которых  циклический АМФ  служит в качестве вторичного медиатора

Примечание. Здесь перечислены только наиболее убедительно подтвержденные эффекты, опосредуемые циклическим АМФ, хотя многие из этих гормонов проявляют многочисленные действия в различных органах-мишенях. 

Усиление. Связываясь с небольшим числом специфических рецепторов (вероятно, меньшим, чем 1000 на клетку), глюкагон стимулирует синтез гораздо большего числа молекул циклического АМФ. Эти молекулы в свою очередь стимулируют зависимую от циклического АМФ протеинкиназу, которая вызывает активацию тысяч молекул содержащейся в печени фосфорилазы (фермента, ограничивающего распад гликогена) и последующее высвобождение миллионов молекул глюкозы из единичной клетки. 

Метаболическая  координация на уровне единичной  клетки. Помимо того что обусловленное  циклическим АМФ фосфорилирование белка стимулирует фосфорилазу и способствует превращению гликогена в глюкозу, этот процесс одновременно дезактивирует фермент, синтезирующий гликоген (гликогенсинтетазу), и стимулирует ферменты, вызывающие глюконеогенез в печени. Таким образом, единичный химический сигнал — глюкагон — мобилизует энергетические резервы посредством нескольких путей метаболизма. 

Преобразование  разнообразных сигналов в единую метаболическую программу. Поскольку  содержащаяся в печени аденилатциклаза  может стимулироваться адреналином (действующим через b-адренорецепторы) так же, как и глюкагоном, циклический АМФ позволяет двум гормонам, обладающим различным химическим строением, регулировать углеводный обмен в печени. Если бы не существовало вторичного медиатора, то каждый из регулирующих ферментов, участвующих в мобилизации углеводов печени, должен был бы обладать способностью распознавать как глюкагон, так и адреналин.  

Координированная  регуляция различных клеток и  тканей первичным медиатором. В случае классической реакции на стресс «сражайся или беги» катехоламины связываются с b-адренорецепторами, расположенными в сердце, жировой ткани, кровеносных сосудах и многих других тканях и органах, включая печень. Если бы циклический АМФ не опосредовал большинство реакций на действие b-адренергических катехоламинов (например, увеличение частоты сердечных сокращений и сократимости миокарда, расширение сосудов, снабжающих кровью скелетную мускулатуру, мобилизация энергии из запасов углеводов и жиров), то совокупность огромного количества отдельных ферментов в тканях должна была бы обладать специфическими местами связы­вания для регуляции катехоламинами. 
 

67-2. Молекулярный механизм  регуляции синтеза  циклического АМФ  гормонами, гормональными  рецепторами и  Г-белками. Аденилатциклаза (АЦ) в ее активной форме (АЦ+) превращает АТФ в циклический АМФ (цАМФ) и пирофосфат (ПФи). Активация и ингибирование АЦ опосредуются формально идентичными системами, показанными в левой и правой частях унка. В каждой из этих систем Г-белок колеблется между неактивным состоянием, будучи связанным с ГДФ (Г—ГДФ), и активным состоянием, будучи связанным с ГТФ (Г4"—ГТФ); только белки, находящиеся в активном состоянии, могут стимулировать (Гс) или ингибировать (Ги) активность АЦ. Каждый комплекс Г—ГТФ обладает внутренней активностью ГТФазы, которая превращает его в неактивный комплекс Г—ГДФ. Чтобы вернуть Г-белок в его активное состояние, стимулирующие или ингибирующие комплексы гормон—рецептор (НсРс и НиРи соответственно) способствуют замене ГДФ на ГТФ в месте связывания Г-белка с гуаниннуклеотидом. В то время как комплекс ГиР требуется для начальной стимуляции или ингибирования АЦ белками Гс или Гц, гормон может отсоединиться от рецептора независимо от регуляции АЦ, которая, напротив, зависит от длительности состояния связывания между ГТФ и соответствующим Г-белком, регулируемого его внутренней ГТФазой. Два бактериальных токсина регу­лируют активность аденилатциклазы, катализируя АДФ-рибозилирование Г-белков ( текст). АДФ-рибозилирование Г с холерным токсином угнетает активность его ГТФазы, стабилизируя Гс в его активном состоянии и тем самым увеличивая синтез циклического АМФ. В противоположность этому АДФ-рибозилирование Ги коклюшным токсином предотвращает его взаимодействие с комплексом гнири и стабилизирует Ги в связанном с ГДФ неактивном состоянии; в результате этого коклюшный токсин предотвращает гормональное угнетение АЦ. 

Аналогичные примеры  биологических функций циклического АМФ можно было бы привести и в  отношении других первичных медиаторов, приведенных в табл. 67-1. Циклический АМФ действует как внутриклеточный медиатор для каждого из этих гормонов, обозначая их путствие на поверхности клетки. Подобно всем эффективным медиаторам, циклический АМФ обеспечивает простой, экономичный и высокоспециализированный путь передачи разнородных и сложных сигналов. 
 
 
 
 

Гормончувствительная  аденилатциклаза.

Основным  ферментом, опосредующим соответствующие  эффекты этой системе, является Гормончувствительная аденилатциклаза. Этот фермент состоит  по меньшей мере из пяти классов разделимых белков, каждый из которых внедрен в жировую двухслойную плазматическую мембрану ( 67-2).