Механизм активации протеинкиназы с кратко

Обновлено: 04.07.2024

Эта статья про фермент. Для константы диссоциации pKа, видеть константа диссоциации кислоты. Для использования в других целях см. PKA.

В клеточная биология, протеинкиназа А (PKA) - это семья ферменты чья активность зависит от клеточных уровней циклический AMP (лагерь). PKA также известен как цАМФ-зависимая протеинкиназа (EC 2.7.11.11). PKA выполняет несколько функций в клетке, включая регуляцию гликоген, сахар, и липид метаболизм.

Содержание

История

Протеинкиназа A, более известная как аденозин-3 ', 5'-монофосфат (циклический АМФ) -зависимая протеинкиназа, сокращенно PKA, была открыта химиками. Эдмонд Х. Фишер и Эдвин Г. Кребс в 1968 году. Они выиграли Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1992 г. за их работу по фосфорилированию и дефосфорилированию и как это связано с активностью PKA. [1]

PKA - один из наиболее широко исследуемых протеинкиназы, отчасти из-за его уникальности; из 540 различных генов протеинкиназ, составляющих человеческий киноме, только еще одна протеинкиназа, казеин киназа 2, как известно, существует в физиологическом тетрамерном комплексе, что означает, что он состоит из четырех субъединиц. [2]

Разнообразие субъединиц PKA млекопитающих было осознано после того, как доктор Стэн Найт и другие идентифицировали четыре возможных гена каталитических субъединиц и четыре гена регуляторных субъединиц. В 1991 году Сьюзан Тейлор и др. кристаллизовал субъединицу PKA Cα, которая впервые выявила двухлепестковую структуру ядра протеинкиназы, предоставив план для всех других протеинкиназ в геноме (киноме). [3]

Структура

В неактивном состоянии холофермент ПКА существует в виде тетрамера, состоящего из двух регуляторных подразделения и две каталитические субъединицы. Каталитическая субъединица содержит активный центр, серию канонических остатков, обнаруженных в протеинкиназы связывающие и гидролизующие АТФи домен для связывания регуляторной субъединицы. Регуляторная субъединица имеет домены для связывания с циклическим АМФ, домен, который взаимодействует с каталитической субъединицей, и автоингибиторный домен. Есть две основные формы регуляторной субъединицы; РИ и РИИ. [4]

Клетки млекопитающих имеют как минимум два типа PKA: тип I в основном находится в цитозоль, тогда как тип II связывается через свои регуляторные субъединицы и специальные якорные белки, описанные в якорная секция, в плазматическая мембрана, ядерная мембрана, митохондриальная наружная мембрана, и микротрубочки. В обоих типах, как только каталитические субъединицы освобождены и активны, они могут мигрировать в ядро (где они могут фосфорилировать регуляторные белки транскрипции), в то время как регуляторные субъединицы остаются в цитоплазме. [5]

Следующие человеческие гены кодируют субъединицы PKA:

  • каталитическая субъединица - PRKACA, PRKACB, PRKACG
  • регуляторная субъединица I типа - PRKAR1A, PRKAR1B
  • регуляторная субъединица II типа - PRKAR2A, PRKAR2B

Механизм

Активация

PKA также широко известна как цАМФ-зависимая протеинкиназа, поскольку традиционно считалось, что она активируется посредством высвобождения каталитических субъединиц, когда уровни второй посланник называется циклический аденозинмонофосфат, или цАМФ, повышаются в ответ на множество сигналов. Однако недавние исследования по оценке интактных холоферментных комплексов, включая регуляторные сигнальные комплексы, связанные с AKAP, показали, что локальная субклеточная активация каталитической активности PKA может происходить без физического разделения регуляторных и каталитических компонентов, особенно при физиологических концентрациях цАМФ. . [6] [7] Напротив, экспериментально индуцированные сверхфизиологические концентрации цАМФ, то есть более высокие, чем обычно наблюдаемые в клетках, способны вызывать разделение холоферментов и высвобождение каталитических субъединиц. [6]

Внеклеточные гормоны, такие как глюкагон и адреналин, запускают внутриклеточный сигнальный каскад, который запускает активацию протеинкиназы A, сначала связываясь с Рецептор, связанный с G-белком (GPCR) в целевой ячейке. Когда GPCR активируется его внеклеточным лигандом, конформационное изменение индуцируется в рецепторе, который передается прикрепленному внутриклеточному комплекс гетеротримерных белков G к динамика домена белка. В Альфа-субъединица Gs стимулированных обменов комплекса G-белка ВВП за GTP в реакции, катализируемой GPCR, и высвобождается из комплекса. Активированная альфа-субъединица Gs связывается и активирует фермент, называемый аденилилциклаза, что, в свою очередь, катализирует превращение АТФ в цАМФ, напрямую повышая уровень цАМФ. Четыре молекулы цАМФ способны связываться с двумя регуляторными субъединицами. Это достигается за счет связывания двух молекул цАМФ с каждым из двух сайтов связывания цАМФ (CNB-B и CNB-A), что вызывает конформационные изменения в регуляторных субъединицах PKA, в результате чего субъединицы отсоединяются и высвобождают две, теперь активированные, каталитические субъединицы. [8]

После высвобождения из ингибирующей регуляторной субъединицы каталитические субъединицы могут переходить к фосфорилат ряд других белков в минимальном субстратном контексте Arg-Arg-X-Ser / Thr., [9] хотя они по-прежнему подвергаются другим уровням регуляции, включая модуляцию термостабильным псевдосубстратным ингибитором PKA, называемым PKI. [7] [10]

Ниже приведен список шагов, необходимых для активации PKA:

  1. Цитозольный лагерь увеличивается
  2. Две молекулы цАМФ связываются с каждой регуляторной субъединицей PKA.
  3. Регуляторные субъединицы выходят из активных центров каталитических субъединиц, и комплекс R2C2 диссоциирует.
  4. Свободные каталитические субъединицы взаимодействуют с белками, фосфорилируя остатки Ser или Thr.

Катализ

Освободившиеся каталитические субъединицы могут затем катализировать перенос концевых фосфатов АТФ в белок субстраты в серин, или же треонин остатки. Этот фосфорилирование обычно приводит к изменению активности субстрата. Поскольку PKA присутствуют во множестве клеток и действуют на разные субстраты, регуляция PKA и регуляция цАМФ участвуют во многих различных путях.

Механизмы дальнейших эффектов можно разделить на прямое фосфорилирование белка и синтез белка:

  • При прямом фосфорилировании белка PKA напрямую увеличивает или снижает активность белка.
  • При синтезе белка ПКА сначала непосредственно активирует CREB, который связывает элемент ответа cAMP (CRE), изменяя транскрипция и, следовательно, синтез белка. Как правило, этот механизм требует больше времени (от часов до дней).

Механизм фосфорилирования

Остаток серин / треонин пептида-субстрата ориентирован таким образом, что гидроксильная группа обращена к гамма-фосфатной группе связанной молекулы АТФ. И субстрат, и АТФ, и два иона Mg2 + образуют интенсивные контакты с каталитической субъединицей PKA. В активной конформации С-спираль упаковывается против N-концевой доли, а остаток аспартата консервативного мотива DFG хелатирует ионы Mg2 +, помогая позиционировать субстрат АТФ. Трифосфатная группа АТФ указывает из аденозинового кармана для переноса гамма-фосфата на серин / треонин пептидного субстрата. Существует несколько консервативных остатков, включая глутамат (E) 91 и лизин (K) 72, которые опосредуют расположение альфа- и бета-фосфатных групп. Гидроксильная группа серина / треонина пептидного субстрата атакует гамма-фосфатную группу у фосфора посредством нуклеофильной реакции SN2, которая приводит к переносу концевого фосфата на пептидный субстрат и разрыву фосфодиэфирной связи между бета-фосфатом и гамма-фосфатные группы. PKA выступает в качестве модели для понимания протеинкиназа биологии, при этом положение консервативных остатков помогает отличить активные протеинкиназа и неактивный псевдокиназа члены человеческого кинома.

Инактивация

Подавление протеинкиназы А происходит по механизму обратной связи и использует ряд гидролизов цАМФ. фосфодиэстераза (PDE) ферменты, которые относятся к субстратам, активируемым PKA. Фосфодиэстераза быстро превращает цАМФ в АМФ, тем самым уменьшая количество цАМФ, которое может активировать протеинкиназу А. PKA также регулируется сложной серией событий фосфорилирования, которые могут включать модификацию путем аутофосфорилирования и фосфорилирования регуляторными киназами, такими как PDK1. [7]

Таким образом, PKA частично контролируется уровнями лагерь. Кроме того, сама каталитическая субъединица может подавляться фосфорилированием.

Анкоридж

Димер регуляторной субъединицы PKA важен для локализации киназы внутри клетки. Домен димеризации и стыковки (D / D) димера связывается с доменом связывания A-киназы (AKB) Якорный белок А-киназы (АКАП). AKAP локализуют PKA в различных местах (например, плазматической мембране, митохондриях и т. Д.) Внутри клетки.

AKAP связывают многие другие сигнальные белки, создавая очень эффективный сигнальный центр в определенном месте внутри клетки. Например, AKAP, расположенный рядом с ядром клетки сердечной мышцы, будет связывать как PKA, так и фосфодиэстеразу (гидролизует цАМФ), что позволяет клетке ограничивать продуктивность PKA, поскольку каталитическая субъединица активируется, когда цАМФ связывается с регуляторными субъединицами.

Функция

Фосфорилаты PKA белки которые имеют экспонированный мотив аргинин-аргинин-X-серин, в свою очередь (де) активирующий белки. Существует много возможных субстратов PKA; список таких подложек доступен и поддерживается Национальные институты здравоохранения США. [11]

Поскольку экспрессия белка варьируется от типа клетки к типу клетки, белки, доступные для фосфорилирования, будут зависеть от клетки, в которой присутствует PKA. Таким образом, эффекты активации PKA варьируются в зависимости от тип ячейки:

Обзорная таблица

    → β-адренорецептор → Рецептор глюкагона
  • усиливать липолиз
    • стимулировать липаза[12]
      → β-адренорецептор
    • производить глюкоза
      • стимулировать гликогенолиз
        • фосфорилат гликогенфосфорилаза через фосфорилаза киназа (активируя его) [12]
        • фосфорилат Ацетил-КоА карбоксилаза (подавляя это)
        • фосфорилат гликогенсинтаза (подавляя это) [12]
        • фосфорилат фосфофруктокиназа 2 (стимулируя его, только кардиомиоциты)
          → β-адренорецептор
        • секвестр Ca 2+ в саркоплазматический ретикулум
          • фосфорилаты фосфоламбан[13]
            → β-2 адренорецептор → Гистаминовый рецептор H2 → рецептор простациклина → PGD2 рецептор → PGE2 рецептор → VIP рецептор
          • L-Аргинин → имидазолин и α2 рецептор? (граммя-связанный)
            , например ацетилхолин → мускариновый рецептор M2 → Рецептор NPY
            → β-адренорецептор → Рецептор глюкагона
          • производить глюкоза
            • стимулировать гликогенолиз
              • фосфорилат гликогенфосфорилаза (активируя его) [12]
              • фосфорилат Ацетил-КоА карбоксилаза (подавляя это)
              • фосфорилат гликогенсинтаза (подавляя это) [12]
              • фосфорилат фруктозо-2,6-бисфосфатаза (стимулируя это)
              • фосфорилат фосфофруктокиназа-2 (отключив его)
              • фосфорилат фруктозо-2,6-бисфосфатаза (стимулировать это)
              • фосфорилат пируваткиназа (подавляя это)
                → Рецептор V2 (Ингибитор PDE)
                из аквапорин 2 к апикальная мембрана. [14]
              • синтез аквапорина 2 [14]
              • фосфорилирование аквапорина 2 (его стимуляция) [14]
              • стимулировать транспортер мочевины 1 экзоцитоз [15]
                → β-рецептор[17]
              • агонисты → α2 рецептор[17] → дофаминовый рецептор[17] → рецептор глюкагона[17]

              В адипоцитах и ​​гепатоцитах

              Адреналин и глюкагон влиять на активность протеинкиназы А, изменяя уровни цАМФ в клетке через механизм G-белка, используя аденилатциклаза. Протеинкиназа А фосфорилирует многие ферменты, важные для метаболизма. Например, протеинкиназа А фосфорилирует ацетил-КоА карбоксилаза и пируватдегидрогеназа. Такая ковалентная модификация оказывает ингибирующее действие на эти ферменты, таким образом подавляя липогенез и продвижение сети глюконеогенез. Инсулин, с другой стороны, снижает уровень фосфорилирования этих ферментов, что вместо этого способствует липогенезу. Напомним, что в миоцитах глюконеогенеза не происходит.

              В прилежащем ядре нейронов

              PKA помогает передавать / переводить дофамин сигнал в клетки в прилежащее ядро, который обеспечивает вознаграждение, мотивацию и важность задачи. Подавляющее большинство восприятия вознаграждения включает активацию нейронов в прилежащем ядре, некоторые примеры которой включают секс, развлекательные наркотики и пищу. Путь передачи сигнала протеинкиназы А помогает регулировать потребление этанола и его седативный эффект. Исследование на мышах сообщает, что мыши с генетически сниженной передачей сигналов цАМФ-ПКА приводят к меньшему потреблению этанола и более чувствительны к его седативным эффектам. [18]

              В скелетных мышцах

              PKA направляется в определенные субклеточные местоположения после привязки к AKAP. Рецептор рианодина (RyR) совместно локализуется с мышечным AKAP, фосфорилированием RyR и оттоком Ca 2+ увеличивается при локализации PKA в RyR с помощью AKAP. [19]

              В сердечной мышце

              В каскаде, опосредованном GPCR известный как β1 адренорецептор, активируется катехоламины (особенно норэпинефрин), PKA активируется и фосфорилирует множество мишеней, а именно: Кальциевые каналы L-типа, фосфоламбан, тропонин I, миозин-связывающий белок C, и калиевые каналы. Это увеличивает инотропия а также лузитропия, увеличивая силу сокращения, а также позволяя мышцам быстрее расслабиться. [20] [21]

              В формировании памяти

              PKA всегда считалась важной в формировании объем памяти. в плодовая муха, снижение активности экспрессии DCO (гена, кодирующего каталитическую субъединицу PKA) может вызвать серьезные нарушения обучаемости, среднесрочной памяти и краткосрочной памяти. Долгосрочная память зависит от фактора транскрипции CREB, регулируемого PKA. Исследование, проведенное на дрозофиле, показало, что увеличение активности PKA может повлиять на кратковременную память. Однако снижение активности PKA на 24% ингибировало способность к обучению, а снижение на 16% повлияло как на способность к обучению, так и на сохранение памяти. Формирование нормальной памяти очень чувствительно к уровням PKA. [22]

              Автор текста Анисимова Е.С.
              Авторские права защищены. Продавать текст нельзя.
              Курсив не зубрить.

              См. сначала п. 95 1.

              1. цАМФ и протеинкиназа А.
              2. Механизм активации протеинкиназы А под действием цАМФ.
              3. Действие ПК А на белки
              4. Д в о й н а я р е г у л я ц и я АЦ.
              Таким образом, активация Gs белка приводит к …
              Активация Gi белка, наоборот, приводит к …
              Gs активируется: …
              Gi активируется: …
              5. Действие бактериальных токсинов на G-белки.
              Действие коклюшного токсина на АЦ.
              О последствиях накопления цАМФ при действии холерного токсина (п.110):
              6. Как глюкагон повышает [глюкозы] в крови. Механизм действия.
              7. Принцип каскадного усиления
              8. Разрушение цАМФ и ингибирование его разрушения.

              1. цАМФ и протеинкиназа А.

              цАМФ синтезируется из АТФ
              при отщеплении от АТФ двух фосфатов
              и образовании фосфодиэфирной связи между атомом О в 3-м положении рибозы
              и фосфатом в 5-м положении рибозы;
              из-за этой связи такая форма АМФ называется циклической и обозначается цАМФ.

              Фермент, который катализирует образование цАМФ, называется АДЕНИЛИЛ/ЦИКЛАЗОЙ (АЦ).
              Чем активнее АЦ, тем больше цАМФ.

              цАМФ активирует протеинкиназу А (ПК А),
              протеинкиназа А фосфорилирует белки, в
              результате чего изменяются конформация и активность белков;
              белки начинают или прекращают работать,
              в результате чего начинаются или прекращаются процессы,
              осуществляемые этими белками,
              то есть возникает ответ клетки на изменение концентрации цАМФ.

              2. Механизм активации протеинкиназы А под действием цАМФ.

              ПК состоит из двух регуляторных субъединиц (Р) и двух каталитических (К),
              причем регуляторные и каталитические могут быть соединены (образуя тетрамер)
              и могут быть отделены друг от друга.

              Каталитические субъединицы называются каталитическими потому,
              что способны катализировать фосфорилирование белков.
              Регуляторные называются регуляторными потому,
              что регулируют активность каталитических.

              Когда регуляторные и каталитические субъединиц связаны (образуя тетрамер),
              каталитические субъединицы не могут работать,
              то есть регуляторные являются ингибиторами каталитических.
              Таким образом, в состоянии тетрамера ПК А не активна.

              Регуляторные ингибируют каталитические за счет того, что влияют на конформацию каталитических.
              Когда регуляторные субъединицы отсоединяются от каталитических,
              конформация каталитических изменяется так, что каталитические могут работать.

              Отсоединение регуляторных субъединиц от каталитических
              происходит тогда, когда с регуляторными субъелиницами связывается цАМФ:
              цАМФ так изменяет конформацию регуляторных,
              что регуляторные отсоединяются от каталитических.
              Т.о. цАМФ активирует ПК А.

              Кратко: цАМФ связывается с регуляторными субъединицами ПК А,
              в результате чего регуляторные субъединицы отсоединяются от каталитических;
              после этого каталитические могут работать:
              фосфорилировать белки и изменять их активность.

              3. Действие ПК А на белки

              Некоторые белки после фосфорилирования протеинкиназой А
              активируются, а некоторые инактивируются.

              Пример белка, активность которого снижается после фосфорилирования протеинкиназой А – это гликоген/синтаза.
              Снижение активности гликоген/синтазы приводит к замедлению синтеза гликогена (из глюкозы),
              что целесообразно при голоде и стрессе,
              когда глюкоза нужна мозгу и другим тканям в качестве источника энергии
              (при голоде и стрессе активность ПК А в клетках увеличивается).

              Примеры белков, активность которых после фосфорилирования протеинкиназой А увеличивается:
              Киназа фофорилазы гликогена, триглицерид/липаза, холестерол/десмодаза, CFTR.

              Активация киназы фосфорилазы гликогена
              приводит к тому, киназа фосфорилирует фосфорилазу гликогена,
              активированная фосфорилаза гликогена начинает расщепление гликогена,
              что приводит к образованию глюкозы в печени и АТФ в мышцах;
              образованная в печени глюкоза выходит в кровь и доставляется к мозгу, позволяя ему жить и работать.

              Активация триглицерид/липазы приводит к ускорению расщепления жира, что
              1) дает жирные кислоты для выработки энергии в тканях,
              2) приводит к похудению.

              CFTR – кистофиброзный трансмембранный регулятор проводимости (ионов хлорида через мембрану клетки наружу) – п.110.

              Кроме ферментов, ПК А фосфорилирует другие белки:
              ионные каналы, транскрипционные факторы и т.д.
              Изменение активности фермента тирозин/гидроксилазы
              приводит к изменению синтеза ДОФА
              (субстрата для синтеза дофамина, норадреналина, адреналина, меланина – п.68).

              4. Д в о й н а я р е г у л я ц и я АЦ G-белками.

              Это выражение означает, что
              активность АЦ может как повышаться, так и снижаться,
              так как АЦ регулируется двумя типами G-белков:
              белок, который активирует АЦ, называется Gs белком (s – стимулирующий),
              а белок, который ингибирует АЦ, называется Gi белком.

              Gs белок – это активатор АЦ,
              а Gi белок – это ингибитор АЦ.

              Таким образом, активация Gs белка приводит
              1) к активации АЦ,
              2) синтезу цАМФ активированной АЦ,
              3) накоплению цАМФ и
              4) активации ПК А,
              5) фосфорилированию белков.

              Активация Gi белка, наоборот, приводит к:
              1) ингибированию АЦ,
              2) прекращению синтеза цАМФ,
              3) снижению [цАМФ] в клетке,
              4) ПК А не активируется,
              5) белки не фосфорилируются (те, которые могли бы фосфорилироваться под действием ПК А).

              1) рецептором глюкагона при связывании с ним глюкагона,
              2) ;-адреноцепторами при связывании с ними адреналина или норадреналина
              (НА действует через ;1-адренорецепторы, а адреналин через ;1 и ;2),
              3) рецепторами тропинов при связывании с ними тропинов,
              4) рецепторами ПГ Е2 и I2 при связывании с ними ПГ,
              5) другими комплексами гормонов со своими рецепторами.

              Все перечисленные гормоны через указанные рецепторы активируют Gs белок,
              что приводит к активации им АЦ, синтезу ею цАМФ, активации циклическим АМФ протеинкиназы А, фосфорилированию протеинкиназой А белков, изменению активности белков и процессов.
              Все это приводит к увеличению активности большинства клеток.

              1) M2-рецептором ацетилхолина при связывании с ним АХ,
              2) ;2-адреноцепторами при связывании с ними адреналина или норадреналина,
              3) некоторыми рецепторами опиоидов при связывании с ними опиоидов (или агонистов),
              4) рецепторами Тх А2 при связывании с ними Тх,
              5) рецепторами соматостатина при связывании с ними соматостатина,
              6) другими комплексами гормонов со своими рецепторами.

              Все перечисленные гормоны через указанные рецепторы активируют Gi белок,
              что приводит к тому, что
              АЦ не синтезирует цАМФ,
              цАМФ нет (мало),
              ПК А не активируется,
              белки не фосфорилирует.

              Все это приводит к уменьшению активности большинства клеток.

              Поэтому действие через Gi белок –
              один из механизмов действия гормонов,
              снижающих активность клеток, т.ч. нервных,
              то один из механизмов действия ингибиторных нейротрансмиттеров
              (см. действие ингибиторных нейротрансмиттеров в п. 97).

              Напоминание:
              рецепторы, активирующие G белки,
              1) могут активироваться не только гормонами, но и агонистами,
              2) бывают активными без гормона (конститутивными).

              5. Действие бактериальных токсинов на G-белки.

              Действие коклюшного токсина на АЦ.

              Поскольку коклюшный токсин ингибирует Gi белок,
              этот Gi белок не может ингибировать АЦ –
              в результате АЦ работает дольше нужного,
              образует много цАМФ.

              О последствиях накопления цАМФ при действии холерного токсина (п.110):

              накопление цАМФ приводит к открытию каналов для натрия и хлорида,
              эти ионы выходят из клеток кишечника в полость кишечника,
              за ними по осмотическому принципу идет вода,
              что приводит при холере к диарее и потере организмом солей и воды (обессоливанию и обезвоживанию).

              Сниженная способность белка-транспортера хлорида (CFTR) к транспорту хлорида
              приводит к замедленной потере хлорида и воды организмом
              и увеличивает шансы выжить при заражении возбудителем холеры.
              Так бывает у гетерозигот с мутантным геном CFTR – это пример мутации, увеличивающей жизнеспособность;
              но гомозиготы с мутантным геном CFTR не доживают до взрослого возраста из-за кистофиброза.

              6. Как глюкагон повышает [глюкозы] в крови. Механизм действия.

              1. Глюкагон связывается с рецептором и активирует рецептор (образуется комплекс глюкагона и его рецептора).
              2. Активированный глюкагоном рецептор активирует Gs белок.
              3. Активированный Gs белок активирует АЦ.
              4. Активированная АЦ синтезирует цАМФ.
              5. Синтезированный цАМФ активирует ПК А (связываясь с ее регуляторными субъединицами).
              6. Активированная ПК А фосфорилирует белки, в т.ч. киназу фосфорилазы, которая в результате активируется.
              7. Активированная киназа фосфорилазы фосфорилирует фосфорилазу и активирует ее.
              8. Активированная фосфорилаза гликогена начинает расщепление гликогена.
              9. Расщепление гликогена печени приводит к образованию глюкозы.
              10. Глюкоза поступает в кровь. Аналогично действует адреналин через ;-адренорецепторы, начиная с активации Gs белка.

              7. Принцип каскадного усиления

              (на примере глюкагона)

              заключается в том, что одна молекула глюкагона, связываясь с рецептором,
              приводит к появлению в клетке тысяч молекул цАМФ –
              это обусловлено тем, что цАМФ синтезируется ферментом АЦ.

              Связывание гормона с рецептором приводит к активации АЦ,
              которая успевает синтезировать несколько сотен (или тысяч) молекул цАМФ.

              Одна молекула цАМФ приводит к появлению тысяч молекул глюкозы –
              это обусловлено тем, что появление цАМФ приводит к активации ферментов

              (сам цАМФ активирует ПК А,
              затем ПК А активирует киназу фосфорилазы,
              затем киназа фосфорилазы активирует фосфорилазу).

              Таким образом, молекула глюкагона приводит к появлению сотен или тысяч молекул цАМФ,
              а каждая молекула цАМФ из этих тысяч
              приводит к появлению тысяч молекул глюкозы –

              в результате одна молекула глюкагона приводит к образованию миллионов молекул глюкозы.

              За счет каскадного усиления достаточно небольших количеств гормонов в крови
              для того, чтобы сильно изменять скорость химических реакций в клетках (метаболизм)
              и вследствие этого – концентрации метаболитов в клетках (химических состав клеток).

              Каскадное усиление основано на том, что в передачи сигнала гормона в клетку участвуют ФЕРМЕНТЫ.

              Количество молекул второго посредника,
              которое может образоваться
              при действии на клетку одной молекулы гормона,
              называется коэффициентом усиления. (КУ).

              Количество молекул метаболита,
              которое может образоваться в клетке
              при действии на клетку одной молекулы второго посредника,
              тоже называется коэффициентом усиления.

              КУ при образовании
              вторых посредников в результате действия на клетку разных гормонов составляет от 100 до ста тысяч.

              КУ при образовании
              метаболитов под действием вторых посредников составляет от 100 до 1000.

              КУ при образовании
              метаболитов клетки под действием гормонов составляет от 105 до 1011.

              Эти цифры соответствуют концентрациям гормонов, вторых посредников и метаболитов.

              8. Разрушение цАМФ и ингибирование его разрушения.

              цАМФ разрушается путём расщепления (гидролитического)
              фосфодиэфирной связи в молекуле,
              поэтому фермент, который разрушает цАМФ,
              называется ФОСФО/ДИ/ЭСТЕРАЗОЙ цАМФ(ФДЭ).

              В результате цАМФ превращается в обычный нециклический АМФ.

              Ингибирование ФДЭ (некоторыми кардиотониками и противовоспалительными)
              не позволяет ей разрушать цАМФ
              и приводит к накоплению цАМФ и продлению эффектов цАМФ.

              Секреция соляной кислоты слизистой оболочкой желудка обеспечивается париетальными (обкладочными) клетками, находящимися в эпителиальном слое желудочных желез фундального отдела. Характерной особенностью этих клеток является присутствие специальных структур, так называемых внутриклеточных канальцев, образованных выпячиваниями апикальной мембраны. Поверхность канальцев, как и поверхность апикальной мембраны, покрыта многочисленными микроворсинками. Благодаря наличию внутриклеточных канальцев и микроворсинок значительно увеличивается поверхность, через которую осуществляется секреция соляной кислоты.

              Активация секреции соляной кислоты происходит под действием секретогенов: гистамина, гастрина и ацетилхолина. Она сопровождается существенными морфологическими изменениями париетальных клеток: наблюдается значительное увеличение размеров внутриклеточных канальцев и длины микроворсинок, что приводит к увеличению поверхности мембраны, обеспечивающей секрецию. Кроме того, в активированных париетальных клетках внутриклеточные канальцы открываются в люминальное пространство, что обеспечивает доступ выделяющейся соляной кислоты в просвет желудка.

              Рис. 1. Транспортные системы париетальной клетки, обеспечивающие секрецию соляной кислоты (схема).

              Рис. 1. Транспортные системы париетальной клетки, обеспечивающие секрецию соляной кислоты (схема).

              В проникновении соляной кислоты через апикальную мембрану участвует многокомпонентная транспортная система (рис. 1). Основным элементом этой системы является протонный насос, обеспечивающий АТФ-зависимый обмен внутриклеточных Н + на внеклеточные К + [7]. Оба иона переносятся против электрохимического градиента. Из клетки К + выходят по градиенту, по-видимому, через специальный канал, причем выход этого катиона сопровождается выходом из клетки Cl - . Таким образом, суммарным результатом работы этой транспортной системы являются секреция соляной кислоты в люминальное пространство и циклическое перемещение ионов калия из клетки наружу и в обратном направлении. Cl - входят в клетку через базолатеральную мембрану. В транспорте этого аниона принимает участие НСО3 - , /Cl - -анионный обменник. Необходимые для такого обмена НСО3 - - образуются в клетке в результате работы специального фермента карбоангидразы, обеспечивающего синтез Н2СО3 из углекислого газа, который появляется в клетке в результате метаболических процессов, и воды. Н + , образующийся при диссоциации Н2СО3, секретируется протонным насосом в люминальное пространство. Карбоангидраза локализована в клетке в непосредственной близости от системы внутриклеточных канальцев. При интенсивной работе насоса, когда начинает ощущаться нехватка Н + внутри клетки, в процесс включаются также встроенные в базолатеральную мембрану катионобменники (К + /Н + или Na + /Н + ), обменивающие внеклеточные Н + на внутриклеточные К + или Na + . Таким образом, присутствие дополнительных переносчиков, находящихся на базолатеральной мембране, обеспечивает трансэпителиальный транспорт Cl - и частично Н + .

              Роль протонного насоса в системе, обеспечивающей секрецию соляной кислоты, выполняет Н + , К + -АТФаза - фермент, относящийся к семейству АТФаз Р-типа [7]. Ближайшим "родственником" этого фермента является Na + , К + -АТФаза, которая вместе с Н + , К + -АТФазой образует отдельное подсемейство. Кроме эпителиальных клеток желудка, Н + , К + -АТФаза (по-видимому, ее изозим) встречается также в эпителиальных клетках почечных канальцев и в эпителии некоторых отделов кишечника.

              Н + , К + -АТФаза локализована в апикальной мембране, тогда как Na+, К+-АТФаза сосредоточена исключительно в базолатеральной мембране. Как и Na + , К + -АТФаза, Н + , К + -АТФаза состоит из субъединиц двух типов: a-субъединицы - полипептида с молекулярной массой около 100 кДа (1033 аминокислотных остатка), выполняющего каталитическую функцию, и b-субъединицы - гликопротеида с невыясненной до конца функцией, молекулярная масса которого составляет 50 - 60 кДа (291 аминокислотный остаток; остальная часть молекулы, примерно 1/3 часть по массе, представлена углеводными фрагментами). В настоящее время определена аминокислотная последовательность как a- [9], так b-субъединиц [10], а также установлено расположение полипептидных цепей этих белков в мембране (рис. 2, А). Полипептидная цепь a-субъединицы несколько раз пересекает мембрану, образуя 5 трансмембранных петель. N- и С-концы a-субъединицы находятся в цитоплазме. Большая часть полипептидной цепи (около 800 аминокислот) образует большой цитоплазматический домен, в котором расположен активный центр фермента, где и происходит гидролиз АТФ. Катионы перемещаются через мембрану по каналу, который формируется трансмембранными петлями. N-конец b-субъединицы находится внутри цитоплазмы, ее полипептидная цепь пересекает мембрану только один раз. Большая часть р-субъединицы располагается с внеклеточной стороны мембраны. На ней расположены участки, подвергающиеся гликозилированию.


              Рис. 2. Схема укладки a- и b-субъединиц Н + , К + -АТФазы в липидном бислое (А) и схема, иллюстрирующая каталитический цикл Н + , К + -АТФазы (Б).

              АТФазы Р-типа осуществляют гидролиз АТФ до АДФ и неорганического фосфата. Высвобождающаяся в процессе гидролиза энергия используется для переноса катионов через мембрану против электро- химического градиента. Характерной особенностью АТФаз Р-типа является образование в процессе каталитического цикла фосфорилированного интермедиата (фосфорилированию подвергается остаток аспарагиновой кислоты, расположенный на a-субьединице; в Н + , Н + , К + -АТФазе это Asp-385). Вторая особенность этого семейства АТФаз заключается в том, что в процессе гидролиза АТФ фермент пребывает в двух основных конформациях - Е1 и Е2, которые различаются по сродству к переносимым катионам. Конформация Е1 имеет высокое сродство к Н+, а конформация Е2 - к катионам К + . Схема гидролиза АТФ Н + , К + -АТФазой представлена на рис. 2, Б. В конформации Е1 со специфическими центрами, расположенными на цитоплазматической поверхности мембраны, связывается H + , после чего происходит фосфорилирование Asp-385, расположенного в активном центре фермента (образование Е1-Р). После фосфорилирования закрываются створки канала, находящиеся на цитоплазматической стороне мембраны. Затем протоны перемещаются через мембрану, что приводит к изменению конформации фермента (переход Е1-Р в Е2-Р). В этом состоянии открываются створки канала с люминальной (внеклеточной) стороны. После этого протоны высвобождаются из катионсвязывающих участков фермента, а К+ связываются с катионсвязывающими центрами на люминальной поверхности мембраны. Связывание К + с Е2-Р-формой фермента активирует гидролиз ацилфосфатной связи и высвобождение неорганического фосфата. Вслед за этим закрываются створки канала с внеклеточной стороны и ионы калия с внеклеточной поверхности мембраны перемещаются на цитоплазматическую. Связывание АТФ приводит к тому, что происходит изменение конформации фермента (из Е2 переходит в Е1) и К + высвобождаются в цитоплазму, после чего цикл может повториться. Обмен Н + на К + , осуществляемый Н + , К + -АТФазой, является электронейтральным. Возникающая в результате работы протонного насоса разница в концентрации Н + по разные стороны апикальной мембраны составляет 106. Это самый большой градиент концентраций, создаваемый известными в настоящее время системами активного транспорта.

              Активность Н + , К + -АТФазы специфически подавляется омепразолом и другими соединениями (лансопразол, пантопразол), являющимися замешенными производными бензимидазола. Эти соединения, накапливаясь в кислых компартментах, главным образом во внутриклеточных канальцах париетальных клеток, связывают Н+ и превращаются в собственно ингибитор, который ковалентно (необратимо) взаимодействует с SH-группами белка, расположенными на люминальной поверхности апикальной мембраны [8]. Восстановление активности Н + , К + -АТФазы после обработки омепразолом происходит главным образом по мере синтеза новых молекул фермента, поэтому длительность вызванного им ингибирования зависит от скорости обновления фермента (половина молекул Н + , К + -АТФазы человека обновляется за 30-48 ч). Кроме того, известны нековалентные (обратимые) ингибиторы Н + , К + -АТФазы [6]. Среди них наиболее изучен имидазопиридин SCH- 28080. Это соединение взаимодействует с К-связывающим участком фермента. Длительность действия этих соединений на Н + , К + -АТФазу зависит главным образом от продолжительности жизни самого соединения, а не фермента.

              Кроме Н + , К + -АТФазы, в секреции соляной кислоты участвуют компоненты, обеспечивающие транспорт К+ по градиенту концентраций и сопряженный с ним выход Cl - против градиента концентраций. Транспорт Cl - осуществляется через специальный хлорный канал. В настоящее время этот канал идентифицирован [5]. Он представляет собой белок с молекулярной массой около 100 кДа (898 аминокислот) и по структуре похож на каналы семейства СlС-2, которые присутствуют в мозге и сердце (гомология между хлорным каналом из слизистой оболочки желудка кролика и СlС-2 хлорным каналом из мозга крысы составляет 93%). Проводимость канала равна 7pS при концентрации CsC1 150 мМ с обеих сторон мембраны. Через канал, кроме Cl - , могут проходить и другие анионы. Селективность канала для анионов уменьшается в ряду I - , Cl - , Br - , NO3. Канал является потенциал- и рН-зависимым. Изменение потенциала от 0 до - 80 мВ приводит к 10-кратному увеличению проводимости канала. При потенциале - 80 мВ и внутриклеточном рН 7,4 снижение рН вне клетки до 3,0 дополнительно увеличивает проводимость канала в 5-6 раз.

              К + покидают клетку, по-видимому, через специальный калиевый канал. Установлено, что секрецию соляной кислоты тормозит тетраэтиламмоний, который известен как ингибитор калиевых каналов. Однако в отличие от Cl-канала, структура которого хорошо изучена, калиевый канал идентифицирован только в электрофизиологических экспериментах.

              Для выяснения молекулярных механизмов, обеспечивающих активацию секреции соляной кислоты, необходимо выяснить последовательность процессов, происходящих после связывания молекулы секретогена с рецептором, расположенным на поверхности париетальной клетки. В течение многих лет было известно, что париетальная клетка содержит как минимум рецепторы двух типов: гистаминовые H2-рецепторы и мускариновые M3,-рецепторы для ацетилхолина. До недавнего времени не было данных о рецепторе для гастрина. Считалось, что гастриновые рецепторы находятся на энтерохромаффинных клетках, которые после связывания гастрина высвобождают гистамин. Выделяющийся из энтерохромаффинных клеток гистамин связывается с H2-рецепторами париетальных клеток, обеспечивая стимуляцию секреции. Однако недавно было показано, что и париетальные клетки содержат гастриновые рецепторы [11]. Рецептор для гастрина относится к типу В-рецепторов для холецистокинина (ССК-В). Рецепторы этого типа, как и находящиеся на поверхности париетальных клеток М,-рецепторы, обеспечивают свое действие через О-белки, активирующие фосфолипазу С. Этот фермент гидролизует фосфоинозитиды, находящиеся в липидном слое мембраны. По-видимому, образующийся в результате гидролиза инозитолтрифосфат вызывает выход Са 2+ из внутриклеточных депо (эндоплазматический ретикулум), в результате чего внутриклеточная концентрация Са 2+ увеличивается. Второй продукт этой реакции диацилглицерол вместе с Са 2+ активирует Са, фосфолипидозависимую протеинкиназу (протеинкиназа С), которая в свою очередь фосфорилирует белки мишени, влияя на их функциональную активность. Таким образом, в результате активации париетальных клеток под действием как гастрина, так и ацетилхолина могут происходить увеличение внутриклеточной концентрации Са2+ и фосфорилирование белков-мишеней под действием протеинкиназы С. Однако вся цепь событий для париетальной клетки не прослежена. Известно лишь, что активация секреции соляной кислоты париетальными клетками под действием гастрина и ацетилхолина приводит к повышению концентрации вторичного мессенджера цГМФ. Возможные начальные этапы процесса активации секреции париетальными клетками представлены на рис. 3.

              Наиболее изучена активация секреции соляной кислоты под действием гистамина. Связываясь с H2- рецептором, этот секретоген через О-белки активирует аденилатциклазу, в результате чего повышается внутриклеточный уровень цАМФ [1]. Вслед за этим происходит повышение внутриклеточной концентрации Са 2+ : он входит в клетку через плазматическую мембрану. Париетальные клетки содержат цАМФ-зависимые протеинкиназы (протеинкиназы А) двух типов - I и II. Установлено, что мишенями для цАМФ-зависимых протеинкиназ является большое количество как цитоплазматических, так и мембранных белков. Одной из идентифицированных мишеней протеинкиназы А является Cl-канал. В системе in vitro установлено, что фосфолирование канала этой протеинкиназой приводит к увеличению его проводимости. В экспериментах с мембранными везикулами, полученными из стимулированных гистамином и несекретирующих (обработанных антагонистом H2-рецептора циметидином) париетальных клеток, было показано, что скорость секреции соляной кислоты в несекретирующих клетках лимитируется не активностью Н + , К + -АТФазы, а проницаемостью Cl-канала. Таким образом, фосфорилирование Cl-канала протеинкиназой А устраняет лимитирующую стадию в процессе секреции соляной кислоты.

              Рис. 3. Рецепторы, через которые осуществляется активация секреции в париетальной клетке (схема) и возможные механизмы активации

              Рис. 3. Рецепторы, через которые осуществляется активация секреции в париетальной клетке (схема) и возможные механизмы активации

              В несекретирующих париетальных клетках большая часть Н + , К + -АТФазы является неактивной и сосредоточена в везикулах, расположенных в цитоплазме неподалеку от апикальной поверхности мембраны (так называемые тубуловезикулы). Активация секреции сопряжена в первую очередь с перемещением этих везикул к поверхности апикальной мембраны или мембраны канальцев и с их слиянием с этими мембранами. Этот процесс сопровождается увеличением количества молекул Н + , К + -АТФазы на единицу поверхности мембраны. Активное участие в этом процессе принимает цитоскелет париетальной клетки: обработка клеток цитохалазинами А и Е, которые блокируют удлинение микрофиламентов, предотвращает активацию секреции. Известно, что около 4% белка париетальной клетки представлено актином и около 60% актина находится в полимеризованной F-форме [3]. Нити полимеризованного актина, сшитые друг с другом специальными белками цитоскелета, располагаются внутри микроворсинок апикальной поверхности мембраны, формируя своеобразный скелет. Другие белки цитоскелета сшивают нити актина с белками, встроенными в мембрану. Активация секреции сопряжена с перемещением актина к поверхности апикальной мембраны, а миозина - ближе к центру клетки. По-видимому, среди фосфорилируемых протеинкиназой А белков париетальных клеток немало белков цитоскелета. В частности, среди мишеней протеинкиназы А идентифицирован периферический белок мембраны эзрин с молекулярной массой 80 кДа, который участвует в связывании актиновых микрофиламентов с мембраной [4].

              При стимуляции клетки гистамином наблюдается перераспределение белков между цитоплазмой и мембраной. Удалось обнаружить белки, которые при активации секреции перемещаются из цитозоля в мембрану и специфически взаимодействуют с Н + , К + -АТФазой. Известно, что Н + , К + -АТФаза, как и другие АТФазы P-типа, ингибируется мелитгиномпептидом из яда пчелы, состоящим из 26 аминокислот. Имеющиеся в настоящее время данные позволяют предполагать, что мелиттин имитирует определенную детерминанту, участвующую в белок-белковых взаимодействиях в клетке. При использовании антител на мелиттин в цитозоле несекретирующих париетальных клеток был обнаружен белок с молекулярной массой 67 кДа. Этот белок взаимодействует с антителами на мелиттин и, следовательно, содержит участки, по структуре похожие на мелиттин. При стимуляции париетальных клеток гистамином мелиттиноподобный белок перемещается из цитозоля в мембрану [2]. Белок был получен в чистом виде, и в экспериментах in vitro установлено, что он специфически взаимодействует с Н + , К + -АТФазой. Однако пока неизвестно, что является сигналом для перемещения мелиттиноподобных белков при стимуляции, а также какова их функция. Не исключено, что они также являются белками цитоскелета, осуществляющими взаимодействие Н + , К + -АТФазы с микрофиламентами. Полученная в последние годы информация позволяет считать, что белки, обеспечивающие связывание мембранных белков с цитоскелетом, зачастую не только являются структурным элементом, но и участвуют в передаче сигнала. Таким образом, мелиттиноподобный белок, перемещающийся в мембрану при стимуляции секреции, может оказаться и активатором Н + , К + -АТФазы.

              Завершая обзор экспериментальных данных, можно сделать следующее заключение: несмотря на то что представление о молекулярных механизмах активации секреции соляной кислоты значительно расширилось, детальное изучение этого процесса лишь начинается и в ближайшее время можно ожидать появления новых интересных фактов.


              Молекулярные механизмы регуляции секреции соляной кислоты слизистой оболочки желудка.
              О.Д. Лопина, А.А. Котлобай, А.М. Рубцов.
              (Кафедра биохимии биологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова).
              Российский журнал гастроэнтерологии, гепатологии, колопроктологии. 1997, №6, с. 15-19.

              ПРОТЕИНКИНА́ЗЫ, об­шир­ная груп­па фер­мен­тов, от­но­ся­щих­ся к клас­су транс­фе­раз. Осу­ще­ст­в­ля­ют пе­ре­нос тер­ми­наль­но­го фос­фат­но­го ос­тат­ка от аде­но­зин­три­фос­фа­та (АТФ) и гуа­но­зин­три­фос­фа­та (ГТФ) на разл. ами­но­кис­лот­ные ос­тат­ки (в т. ч. на ос­тат­ки гис­ти­ди­на, ас­пара­ги­но­вой ки­сло­ты, се­ри­на, ти­ро­зи­на и тре­о­ни­на) в мо­ле­ку­лах бел­ков, та­ким об­ра­зом осу­ще­ст­в­ляя их фос­фо­ри­ли­ро­ва­ние. Это при­во­дит к ло­каль­но­му из­ме­не­нию за­ря­да бел­ка-ми­ше­ни и час­то со­про­во­ж­да­ет­ся зна­чит. из­ме­не­ни­ем его струк­ту­ры и свойств. В тка­нях че­ло­ве­ка об­на­ру­же­но св. 500 ге­нов, ко­ди­рую­щих разл. про­те­ин­ки­на­зы. В их мо­ле­ку­лах вы­де­ля­ет­ся до­воль­но кон­сер­ва­тив­ный ка­та­ли­тич. до­мен, струк­ту­ра ко­то­ро­го прак­ти­че­ски оди­на­ко­ва у всех П., и один или неск. ре­гу­ля­тор­ных до­ме­нов, для ко­то­рых ха­рак­тер­но струк­тур­ное раз­но­об­ра­зие. Ак­тив­ность П. мо­жет ре­гу­ли­ро­вать­ся низ­ко­мо­ле­ку­ляр­ны­ми со­еди­не­ния­ми (ио­на­ми Ca 2+ , нук­лео­ти­да­ми, ли­пи­да­ми), спе­ци­аль­ны­ми бел­ка­ми и/или пеп­ти­да­ми (каль­мо­ду­лин, бел­ки-ак­ти­ва­то­ры и/или бел­ки-ин­ги­би­то­ры, бел­ко­вые и пеп­тид­ные гор­мо­ны), а так­же пу­тём фос­фо­ри­ли­ро­ва­ния отд. уча­ст­ков фер­мен­та под дей­ст­ви­ем др. про­те­ин­ки­наз.

              Читайте также: