Глава II. Механизмы действия сигнальных молекул на клетки-мишени (сигналинг)

Аденилатциклазный механизм

Аденилатциклазный механизм действия сигнальных молекул на клетки-мишени наиболее представлен в организме человека. Он характерен для гидрофильных гормонов — адреналина (α₂-адренорецепторы связаны с Gα_i и β-адренорецепторы связаны с Gα_s), глюкагона, АКТГ, вазопрессина (V₂-рецепторы), кальцитонина, паратгормона, мелатонина.

Сигнальные молекулы, использующие аденилатциклазный сигнальный путь, обладают как быстрыми эффектами — влияют на активность ферментов, так и медленными — изменяют скорость транскрипции соответствующих генов (геномные эффекты).

Для любого сигнального пути, в том числе и для аденилатциклазного, можно выделить три этапа сигналинга: инициация, пропагация и терминация. На этапе инициации аденилатциклазного сигналинга происходит связывание лиганда (гормона) с внеклеточным доменом G-белок-ассоциированного рецептора, что вызывает его конформационные изменения и позволяет ему действовать как фактору обмена гуаниновых нуклео­тидов (Guanine nucleotide Exchange Factor, GEF). Соответственно, GEF активирует G-белок, заменяя в нём ГДФ на ГТФ.При этом G-белок является тримерным белком, т.е. состоит из трёх разных субъ­единиц — α, β, γ, и именно α-субъединица связана с ГДФ в неактивном сос­тоянии, а с ГТФ — в активном. После активации α-субъединицы G-белка он под­вергается диссоциации на α-ГТФ и βγ-димер (рис. 5). Следует отметить, что
βγ-димер "пришит" к мембране изопреноидом (фарнезилом или геранилом), т.е. пренилирован, а α-субъединица пальмитоилирована. Пальмитоилирование — это ковалентная модификация α-субъединицы ацильными группами, данная модификация нацеливает белок на липидные рафты в мембране клетки. Субъ­единица α-ГТФ является активной, и её ассоциация с аденилатциклазой (мембранно-ассоциированный фермент) приводит к активации последней (механизм активации — это ассоциация субъеди­ниц). Однако активация аденилатциклазы происходит в том случае, если произошла её ассоциация со стимулирующей α_s-ГТФ субъединицей (для действия та­ких гормонов, как адреналин (β-адренорецепторы), АКТГ, кальцитонин, глю­кагон, ФСГ, ЛГ, ТТГ, МСГ, паратгормон, липотропный гормон, вазопрессин (через V₂-рецепторы), кортиколиберин). Если же аденилатциклаза ассоциирована с ингибирующей α_i-ГТФ субъединицей (адреналин (α₂-адренорецепторы), ангиотензин II, соматостатин, ацетилхолин), то образование цАМФ внутри клетки резко снижается.

Рис. 5. Аденилатциклазный механизм: инициация сигнального пути. АЦ — аденилатциклаза

На этапе внутриклеточной пропага­ции гормонального сигнала аденилатциклаза превращает цитоплазматический АТФ в циклический нуклеотид — цАМФ. При этом цАМФ является аллостерическим активатором протеинкиназы А. Так, при участии четырёх молекул цАМФ происходит диссоциация протеинкиназы А на две каталитические (2С) и две регуляторные (2R) субъединицы. При этом две регуляторные субъединицы связаны с четырьмя молекулами цАМФ (2R-4цАМФ). Активная протеинкиназа А (2С) фосфорилирует протеины (очень часто они являются ферментами) по остаткам серина/треонина, и продуктом протеинкиназной реакции является фосфопротеин. Присоединение фосфата (фосфорилирование) под влиянием протеинкиназы А происходит или к серину, или к треонину. Источником фосфата является молекула АТФ. При высокой концентрации в цитоплазме клетки активной протеинкиназы А она транслоцируется (перемещается) в ядро, где также фосфорилирует белки. Известно, что в ядре протеинкиназа А фосфорилирует транскрипционный фактор CREB (cAMP response element-binding protein). Этот белок в фосфорилированной форме связывается с ДНК (участок связывания называется СRE — cAMP response element) и CREB-связывающим белком (СВР), и данный комплекс индуцирует/репрессирует транскрипцию определённых генов (рис. 6).

Рис. 6. Аденилатциклазный механизм: пропагация сигнального пути. ПКА — протеинкиназа А; АЦ — аденилатциклаза

На этапе терминации происходит несколько событий. Так, Gα-ГТФ обладает медленной ГТФазной активностью и катализирует гидролиз ГТФ до ГДФ в комплексе Gα-ГТФ—аденилатциклаза — так называемые "внутренние песочные часы" для выключения сигнального пути. В свою очередь, α-ГДФ диссоциирует от данного комплекса, а аденилатциклаза инактивируется и перестаёт нарабатывать цАМФ. После этого происходит реассоциация α-ГДФ с βγ-димером и образуется R-форма (R-resting) G-белка, который "отдыхает и ждёт" аллостерического изменения GPCR после взаимодействия с сигнальной молекулой. Уровень цАМФ снижает фосфодиэстераза, катализируя превращение цАМФ в АМФ; превращение цАМФ до АМФ и, соответственно, диссоциация АМФ от регуляторных субъединиц позволяет димерам протеинкиназы А реассоциировать до тетрамера. Фосфопротеины, образование которых обеспечила протеинкиназа А, можно дефосфорилировать с помощью фосфопротеинфосфатаз — таким образом терминируется функция данных фосфопротеинов (рис. 7).

Рис. 7. Аденилатциклазный механизм: терминация сигнального пути. ФДЭ — фосфодиэстераза, ВА — β-аррестин, АЦ — аденилатциклаза.

Важным событием в терминации аденилатциклазного сигнального пути является интернализация рецептора. Данному событию предшествует фосфорилирование внутриклеточного домена рецептора (см. десенсибилизация рецепторов), после чего фосфорилированный рецептор взаимодействует с β-аррестином, а такое взаимодействие нарушает взаимосвязь рецептора с G-белком. Длительно не связанный с G-белком GPCR считается организмом "поломанным", поэтому интернализуется и подвергается деградации. Кроме того, может произойти модификация α-субъединицы G-белка, и это тоже приведёт к нарушению реассоциации гетеротримерного G-белка. В активации киназы, которая фосфорилирует GPCR, важное значение отведено цАМФ. Так, высокая концентрация данного нуклеотида участвует в пропагации гормонального сигнала в клетке и при этом активирует киназу, которая задействована в терминации аденилатциклазного сигналинга.