Роль циклических АМФ и ГМФ

На наружной поверхности клеточной мембраны обнаруживаются два класса гормональных рецепторов, Рс и Ри. Они содержат специфические участки распознавания для связывания гормонов, стимулирующих (Нс) или ингибирующих (Ни) аденилатциклазу. 

Каталитический элемент аденилатциклазы обнаруживаемый на цитоплазматической поверхности плазменной мембраны, превращает внутриклеточный АТФ в циклический АМФ и пирофосфат. На цитоплазматической поверхности путствуют также два класса гуаниннуклеотидсвязывающих регулирующих белков. Эти белки, Гс и Ги, опосредуют стимулирующее и ингибирующее действие, воспринимаемое рецепторами Рс и Ри соответственно. 

Как стимулирующая, так и угнетающая парные функции белков зависят от их способности связывать гуанозинтрифосфат (ГТФ) ( 67-2). Только ГТФ-связанные формы Г-белков регулируют синтез циклического АМФ. Ни стимуляция, ни угнетение АЦ не являются постоянным процессом; вместо этого концевой фосфор ГТФ в каждом комплексе Г—ГТФ в конце концов гидролизируется, а Гс—ГДФ или Ги — ГДФ не могут регулировать АЦ. По этой причине стойкие процессы стимуляции или угнетения аденилатциклазы требуют непрерывного превращения Г—ГДФ в Г—ГТФ. В обоих проводящих путях комплексы гормон — рецептор (НсРс или НиРи) усиливают превращение ГДФ в ГТФ. Этот рециркуляционный во временном и пространственном отношениях процесс отделяет связывание гормонов с рецепторами от регуляции синтеза циклического АМФ, используя энергетические запасы в концевой фосфорной связи ГТФ для усиления действия комплексов гормон — рецептор. 

Эта схема объясняет, каким образом несколько разных гормонов могут стимулировать или  угнетать синтез циклического АМФ в  пределах единичной клетки. Поскольку рецепторы по своим физическим характетикам отличаются от аденилатциклазы, совокупность рецепторов, находящихся на поверхности клетки, определяет специфическую картину ее чувствительности к внешним химическим сигналам. Отдельная клетка может иметь три или более различных рецептора, воспринимающих угнетающее действие, и шесть или более отличающихся от них рецепторов, воспринимающих стимулирующее действие. И напро­тив, все клетки, по-видимому, содержат сходные (возможно, идентичные) компоненты Г и АЦ. 

Молекулярные  компоненты гормончувствительной аденилатциклазы  обеспечивают контрольные точки  для изменения чувствительности данной ткани к гормональной стимуляции. Как Р, так и Г-компоненты служат решающими факторами физиологической  регуляции чувствительности к гормонам, и изменения Г-белков рассматривают как первичное поражение, возникающее при четырех обсуждаемых ниже заболеваниях. 

Регуляция чувствительности к гормонам. Повторное введение какого-либо гормона или лекарственного средства, как правило, вызывает постепенное повышение резистентности к их действию. Этот феномен носит разные названия: гипосенсибилизация, рефрактерность, тахифилаксия или толерантность. 

Гормоны или  медиаторы могут вызвать развитие гипосенсибилизации, являющейся рецепторспецифичной, или «гомологичной». Например, введение b-адренергических катехоламинов вызывает специфическую рефрактерность миокарда к повторному введению этих аминов, но не к тем лекарственным средствам, которые не действуют через b-адренорецепторы. Рецепторспецифическая гипосенсибилизация включает в себя по меньшей мере два отдельных механизма. Первый из них, быстро развивающийся (в течение нескольких минут) и быстро обратимый при удалении введенного гормона, функционально «расцепляет» рецепторы и Гс-белок и, следовательно, снижает их способность стимулировать аденилатциклазу. Второй процесс связан с фактическим уменьшением числа рецепторов на клеточной мембране — процесс, называемый рецептороуменьшающей регуляцией. Процесс рецептороуменьшающей регуляции для своего развития требует несколько часов и является труднообратимым. 

Процессы гипосенсибилизации представляют собой часть нормальной регуляции. Устранение нормальных физиологических  стимулов может привести к повышению  чувствительности ткани-мишени к фармакологической стимуляции, как это происходит при развитии гиперчувствительности, вызванной денервацией. Потенциально важная клиническая корреляция такого увеличения числа рецепторов может развиться у больных при внезапном прекращении лечения анаприлином, являющимся b-адреноблокирующим средством. У таких больных часто наблюдаются преходящие признаки повышенного симпатического тонуса (тахикардия, повышение артериального давления, головные боли, дрожание и т. д.) и могут развиться симптомы коронарной недостаточности. В лейкоцитах периферической крови больных, получающих анаприлин, обнаруживают повышенное число b-адренорецепторов, и число этих рецепторов медленно возвращается к нормальным значениям при прекращении приема препарата. Хотя более много­численные другие рецепторы лейкоцитов не опосредуют сердечно-сосудистые симптомы и явления, возникающие в случае отмены анаприлина, рецепторы в миокарде и других тканях, вероятно, претерпевают такие же изменения. 

Чувствительность  клеток и тканей к гормонам может  регулироваться и «гетерологичным» путем, т. е. когда чувствительность к одному гормону регулируется другим гормоном, действующим через иной набор рецепторов. Регуляция чувствительности сердечно-сосудистой системы к b-адренергическим аминам гормонами щитовидной железы является самым известным клиническим примером гетерологичной регуляции. Гормоны щитовидной железы вызывают накопление избыточного количества b-адренорецепторов в миокарде. Это увеличение. числа рецепторов частично объясняет повышенную чувствительность сердца больных гипертиреозом к катехоламинам. Однако тот факт, что у экспериментальных животных увеличение числа b-адренорецепторов, вызываемое введением гормонов щитовидной железы, недостаточно для того, чтобы отнести на его счет повышение чувствительности сердца к катехоламинам, позволяет предположить, что влиянию гормонов щитовидной железы подвержены также и компоненты реакции на гормоны, действующие дистальнее рецепторов, возможно включающие в себя Гс, но не ограничивающиеся этими субъединицами. К числу других примеров гетерологичной регуляции относятся контролирование эстрогеном и прогестероном чувствительности матки к расслабляющему действию b-адренергических агонистов и повышенная реактивность многих тканей по отношению к адреналину, вызываемая глюкокортикоидами. 

Второй тип  гетерологичной регуляции заключается в угнетении гормональной стимуляции аденилатциклазы веществами, действующими через Ри и Ги, как отмечалось выше. Ацетилхолин, опиаты и a-адренергические катехоламины действуют через отличные друг от друга классы воспринимающих ингибирующее действие рецепторов (мускариновые, опиатные и a-адренорецепторы), снижая чувствительность аденилатциклазы определенных тканей к стимулирующему действию других гормонов. Хотя клиническое значение гетерологичной регуляции этого типа не установлено, угнетение синтеза циклического АМФ морфином и другими опиатами могло бы быть причиной некоторых аспектов толерантности к препаратам этого класса. Аналогично устранение такого угнетения может играть определенную роль в развитии синдрома, следующего за прекращением введения опиатов. 

Псевдогипопаратиреоз ( также гл. 336). Генетический дефект, затрагивающий Гс-компонент аденилатциклазы, служит молекулярной основой для  развития псевдогипопаратиреоза типа 1 (ПГП-1). Это редкое наследственное заболевание характеризуется гипокальциемией и гиперфосфатемией, повышенным уровнем содержания гормона паращитовидных желез в сыворотке крови (ГПЖ) и резистентностью к метаболическим эффектам вводимого экзогенного ГПЖ. 

ГПЖ регулирует гомеостаз кальция, по меньшей мере частично, посредством стимуляции аденилатциклазы в почках и костях. Введение ГПЖ здоровым людям (и больным, страдающим идиопатическим или развившимся в результате хирургического вмешательства гипопаратиреозом) вызывает резкое увеличение экскреции циклического АМФ в мочу. В противоположность этому введение ГПЖ вызывает лишь небольшое увеличение (или вообще не изменяет) концентрации циклического АМФ в моче у больных, страдающих ПГП-1. Первоначально обнаружение этого факта породило предположение о том. что причиной ПГП-1 служит дефект в рецепторах ГПЖ, снижающий их способность стимулировать синтез циклического АМФ. 

Однако влиянием дефекта, ограниченного только рецепторами  ГПЖ, нельзя объяснить тот факт, что  многие страдающие ПГП-1 больные также  частично резистентны к действию других гормонов, включая тнреотропный (ТТГ), антидиуретический гормоны, глюкагон и гонадотропины. Действительно, некоторые страдающие ПГП-1 больные нуждаются в заместительной терапии по поводу симптоматического гипотиреоза вследствие резистентности щитовидной железы к действию ТТГ. Резистентность к действию других гормонов по большей части клинически не проявляется и ее можно выявить только с помощью специальных тестов. 

То, что циклический  АМФ служит для этих гормонов в  качестве вторичного медиатора, позволяет предположить, что причиной ПГП-1 является дефект, действующий дистальнее гормональных рецепторов и изменяющий некий компонент, общий для всех опосредуемых циклическим АМФ реакций. Для многих людей, страдающих ПГП-1, такой компонент—Гс-белок, активность которого снижена в эритроцитах, тромбоцитах и фибробластах кожи у большинства больных приблизительно на 50%. У одного из больных было выявлено снижение активности Гс в почках, и, вероятно, аналогичные процессы наблюдались и в других клетках, являющихся эндокринными мишенями, включая кости, щитовидную железу, печень и т. д. 

Возникает вопрос, если дефектность Гс — всеобщее явление при ПГП-1, то почему большинство  из важных клинических последствий  этого связано с резистентностью  к единственному гормону — ГПЖ? Хотя на этот вопрос нельзя ответить определенно, вероятно, что большинство опосредуемых циклическим АМФ реакций на действие гормонов поддерживаются, несмотря на частичную неполноценность Гс, рядом компенсаторных механизмов, включая увеличение концентраций циркулирующих в крови стимулирующих гормонов. Однако наличие повышенной концентрации циркулирующего в крови ГПЖ оказывается недостаточным фактором для поддержания нормального гомеостаза кальция при ПГП-1, предположительно вследствие того, что нормальное функционирование ГПЖ решающим образом определяется условием нормальной активности Гс. К счастью, нарушения реактивности ГПЖ можно ликвидировать лечением витамином D, с помощью которого концентрации кальция и фосфора в сыворотке крови восстанавливаются до нормы. 

Холера ( также  гл. 115). Повышение содержания циклического АМФ в клетках слизистой оболочки кишечника вызывает массивную секрецию воды и электролитов, что приводит к развитию холерной диареи. Патогенный Vibrio cholerae продуцирует белковый экзотоксин, способный стимулировать синтез циклического АМФ фактически во всех клетках организма. Клинически заболевание ограничивается слизистой оболочкой кишечника, поскольку токсин не абсорбируется из пищеварительного тракта, таким образом, другие ткани недоступны для токсина, вырабатываемого бактериями, находящимися в кишечнике. 

В отличие от процесса стимуляции аденилатциклазы  гормонами действие холерного токсина  начинается постепенно и не прекращается немедленно после введения токсина. Причиной такого различия является то, что холерный токсин действует не посредством обратимого связывания со стимулирующим рецептором, а как фермент, образуя стабильную ковалентную модификацию компонента Гс-белка аденилатциклазы. После связывания токсина с клетками одна из его пептидных субъединиц проникает через клеточную мембрану, где катализирует АДФ-рибозилирование Гс, используя внутриклеточный никотинамидадениндинуклеотид (НАД ) в качестве субстрата: 

Гс + НАД+ ---токсин--->Гс-АДФ-рибоза + никотинамид + Н+.  

АДФ-рибозилирование Гс увеличивает синтез циклического АМФ, по-видимому, путем снижения скорости гидролиза ГТФ в комплексе Гс—ГТФ-С, который синтезирует циклический АМФ ( 67-2). 

Этот биохимический  механизм помогает понять причину развития холерной диареи в результате жизнедеятельности относительно небольшого числа патогенных микроорганизмов, а также то, почему болезнь может продолжаться некоторое время и после ликвидации микроорганизмов из кишечника. Первый феномен объясняется тем, что данный токсин является ферментом и поэтому небольшого числа его молекул достаточно для АДФ-рибозилирования значительной части молекул Гс в клетке. Сохраняющийся повышенным уровень синтеза циклического АМФ после выведения токсина (по меньшей мере в экспериментальных иссле­дованиях) коррелирует со стабильностью Гс-АДФ-рибозы. Большинство клеток, по-видимому, не содержат ферментов, способных отделить АДФ-рибозу от Гс, и поэтому действие токсина прекратится только тогда, когда молекулы Гс-АДФ-рибозы будут замещены заново синтезированными молекулами Гс. Для выздоровления может потребоваться даже замена самих клеток слизистой оболочки. Выяснение молекулярной основы действия холерного токсина послужило ценным инструментом обнаружения Гс и определения его характетик, а также повысило уровень нашего знания биохимической основы действия гормонов. 

Коклюш ( также  гл. 109). Молекулярный патогенез коклюша  в. бронхах очень близок к патогенезу холеры в кишечнике. Ни один из этих двух микроорганизмов не внедряется в ткани, —оба они вызывают заболевание, вырабатывая экзотоксины, изменяющие синтез циклического АМФ в клетках хозяина. Bordetella pertussis секретирует два патогенных экзотоксина: молекулярной мишенью одного из них, называемого коклюшевым токсином, является связанный с гуаниннуклеотидом угнетающий белок аденилатциклазы. Другой токсин сам является молекулой аденилатциклазы. 

Подобно холерному, коклюшевый токсин катализирует перенос  АДФ-рибозы от НАД+ к белку мембраны; в данном случае это белок Ги. АДФ-рибозилированная форма Ги не способна взаимодействовать с Ри ( 67-2); в результате этого коклюшный токсин предотвращает угнетение аденилатциклазы ингибирующими лигандами, такими как мускариновые, a-адренергические и опиатные агонисты. 

Ключевые бронхиальные клетки-мишени для коклюшного токсина  и молекулярные события, связывающие АДФ-рибозилирование Г„ с симптомами коклюша, в значительной степени неизвестны. Однако реакция АДФ-рибозилирования помогает объяснить одно загадочное явление: лечение коклюшной инфекции антибиотиками в очень незначительной степени уменьшает тяжесть и длитель­ность заболевания; и действительно, симптомы болезни могут сохраняться в течение трех и более недель после исчезновения микроорганизмов из трахеобронхиального дерева. АДФ-рибозилирование Ги (подобно АДФ-рибозилированию Гс, описанному выше) трудно обратимо с помощью клеточных ферментов. Вероятно, болезнь не отступит даже в отсутствие поступления дополнительных порций токсина, пока не будут замещены модифицированные белки Ги или клетки, содержащие такие белки.