Обмен кальциевый внутриклеточный: влияние активаторов аденилатциклазы

Рассмотрим в общих чертах влияние на внутриклеточный кальциевый обмен агонистов, рецепторы которых сопряжены с аденилатциклазой. Как известно, аденилатциклаза и система обмена фосфоинозитидов и Са## - это две основные сигнальные системы, имеющиеся во всех клетках животных. Их функционирование взаимосвязано.Взаимодействие кальциевой и циклазной систем проявляется как на уровне регуляции или активности друг друга, так и посредством скоординированного влияния на биохимические процессы, происходящие в клетке (Авдонин и др., 1986; Houslay, 1991). В табл. 11 представлены данные о влиянии активаторов аденилатциклазы на рецепторзависимое увеличение Ca и на сопряженные с обменом кальция процессы.

Как видно из приведенных в табл. данных, исходя из характера гормональной регуляции среди клеток могут быть выделены два типа. В одном типе клеток агонисты, активирующие аденилатциклазу, подавляют Са-зависимые процессы и в большинстве, если не во всех случаях ингибируют подъем Ca. К этой группе относятся клетки крови: тромбоциты, лимфоциты, лейкоциты, кроме того астроциты, и по крайней мере некоторые виды гладкомышечных клеток.

Представителями клеток с противоположным характером гормональной регуляции являются гепатоциты, секреторные клетки гипофиза, околоушной железы, надпочечников, некоторые другие, в которых агонисты, стимулирующие аденилатциклазу, могут либо активировать сами, либо усиливать Са-зависимые реакции клетки. Во многих случаях такого рода синергизм связан с тем, что цАМФ потенциирует рецепторзависимое увеличение Ca.

Таблица 11. Влияние активаторов аденилатциклазы и цАМФ на Ca

Агонист	Тип клеток или тканей	Эффект	Литературный источник
Серотонин	Клетки слюнной железы	Активирует вход Ca2+	Berridge, Rupp 1979 Rupp, Berridge 1981
Гистамин	Flowfly Callifora erythrocephala	Увеличивает частоту кальциевых осцилляций за счет подъема ц-АМФ	Burgess ea 1986
Изопротеренол	Гепатоциты морской свинки	Увеличивает выход 86Rb и 45 Ca, вызванный AT II	Burgess ea 1986
Форсколин, гистамин (H2 -рецепторы)	Париетальные клетки желудка	Повышают [Ca2+]цит	Chew 1986
Глюкагон	Гепатоциты	Повышает [Ca2+]цит	Charest ea 1983
Адреналин	Тромбоциты	Увеличивает вызванный агонистами подъем [Ca2+]цит	Herpecky ea 1989
Лютеинизирующий гормон	Orarian granulosa	Активирует синтез прогестерона, ФИ-обмен	Sadighian ea 1989
Дибутирилц-АМФ	То же	Активирует синтез прогестерона	Sadighian ea 1989
Изопротеренол	Эпителий дыхательных путей	Увеличивает [Ca2+]цит, но не активирует ФИ-обмен	McCann ea 1989
Кортикотропин- рилизинг фактор	Клетки передней доли гипофиза	Активирует секрецию АКТГ, АЦ, повышает [Ca2+]цит	King, Baetschi 1990
Arg-вазопрессин	То же	Повышает [Ca2+]цит	-
Форсколин	Хромаффинные клетки надпочечников	Потенциирует КАМ секрецию, вызванную никотином и мускарином, но не увеличивает захват 45Са	Malhotra ea 1989
ВИП	То же	Активирует секрецию КАМ, стимулирует ФИ-обмен и увеличение цАМФ	Malhotra ea 1989
Глюкагон, форсколин, дибутирил цАМФ	Гепатоциты крысы	Увеличивает в 2-3 раза скорость входа Mn2+	Kass ea 1990
ПГЕ2, форсколин, 8-(4-хлорофенил-тио) -цАМФ	Т-лимфациты человека	-	Kelley ea -
Нейропептид Y	Гладкомышечные клетки аорты	Потенциирует вызванные AT II сокращение и активацию ФИ-обмена	Lobaugh, Black-Shear 1990
Изопротеренол	Гроздевидные (ацинарные) клетки околоушных желез	Потенциирует секрецию амилазы и подъем [Са2+] цит, вызванный карбохолином или норадреналином (через альфарецепторы)	McKinney ea 1989
Простагландины E1, D2, I2, форсколин, дибутирил-цАМФ теофилин, ИБМК	Тромбоциты	Подавляют подъем [Са2+] цит, вызванный агонистами	Rink, Smith 1983 Feinstein ea 1983
Форсколин	Лимфоциты	Подавляет подъем [Са2+] цит, вызванный конкавалином	Мошковский, др 1990
Паратироидный гормон	ГМК аорты крысы	Частично ингибирует вызванное норадреналином сокращение и вход Са2+	Schleiffer ea 1989
Паратироидный гормон	ГМК дыхательных путей	цАМФ ингибирует вызванный карбохолином подъем [Са2+] цит, ФИ-обмен	Rasmussen ea 1990
Изопротеренол, форсколин	Гладкая мышца радужной оболочки глаза	Расслабление, ингибирование синтеза ИнФ3	Tachado ea 1989
Аналог простациклинаберапрост, простагландины Е2 и I2	Полиморфоядерные лейкоциты крыс	Подавляют вызванные ФМЛФ повышение [Са2+]цит активацию ФИ обмена и хемотаксис	Kainoh ea 1990
Изопротеренол, дибутирил-цАМФ ингибиторы ПКА	Астроциты	Ингибируют вызванную гистамином активацию ФИ обмена	Robertson ea 1990

АДЕНОЗИНМОНОФОСФАТ ЦИКЛИЧЕСКИЙ (аденозин-3,5-циклофосфат; 3,5-АМФ; цАМФ), мол. м. 329,22; бесцв. кристаллы;

— 51°; соли Na, К и аммония хорошо раств. в воде, соли Ag и двухвалентных металлов в воде практически не растворяются.

Конфигурация остатка рибозы в цАМФ- С₃-эндо-С₄-экзо. Циклофосфатное кольцо, конденсированное с рибозным циклом, имеет конформацию кресла. Кристаллич. ячейка состоит из двух молекул, в одной из к-рых аденпновое основание расположено в син-, а в другой-в анти-конформации относительно рибозного кольца. Последняя конформация характерна также для молекул в р-ре.

цАМФ-вторичный мессенджер, т.е. осуществляет ф-ции внутриклеточного посредника в действии первичных мессенджеров-ряда гормонов и медиаторов (передатчиков) нервного возбуждения. Участвует также в регуляции обмена углеводов и липидов, клеточного роста, мембранного транспорта и др. В бактериальных клетках цАМФ, взаимодействуя со специфич. рецепторным белком, вызывает в нем конформационные изменения, в результате чего белок приобретает способность связываться с клеточной ДНК и регулировать активность генов. В клетках высших организмов цАМФ активирует фермент протеинкиназу, к-рый катализирует перенос остатка фосфорной к-ты с АТФ на белок. Активация заключается в связывании цАМФ с регуляторной субъединицей фермента, в результате чего освобождается активная каталитич. субъединица, к-рая и осуществляет р-цию. Протеинкиназа может катализировать фосфорилирование нек-рых ферментов, а также ряда регуляторных и структурных белков, что приводит к изменению их св-в. Так, фермент киназа фосфорилазы b фосфорилируется с образованием активной формы, к-рая сама в свою очередь катализирует фосфорилирование др. фермента-фосфорилазы b. Последняя ускоряет распад гликогена в организме.

цАМФ оказывает влияние и на дефосфорилирование белков, к-рое осуществляется под действием протеинфосфатаз. Так, Протеинкиназа фосфорилирует один из белков, в результате чего он приобретает св-ва ингибировать фосфата-зу1-фермент, катализирующий дефосфорилирование. Метаболизм цАМФ осуществляют два фермента -аденил-атциклаза, катализирующая синтез цАМФ из АТФ, и фосфодиэстераза цАМФ, к-рая катализирует гидролиз цАМФ по З-фосфоэфирной связи с образованием 5-аденозинмонофосфата.

А. ц. открыт Э. Сазерлендом в 1957. Его получают циклизацией 5-аденозинмонофосфата под действием N, N-дициклогексилкарбодиимида.

АДЕНИЛАТЦИКЛАЗА (АТФ-, или АТР-пирофосфатлиаза циклизирующая), фермент класса лиаз, катализирующий в присут. Mg²⁺ гидролиз аденозинтрифосфата (АТФ) с образованием пирофосфорной к-ты Н₄Р₂О₇ и аденозин-монофосфата циклического (цАМФ). А. обнаружена практически во всех тканях животных, а также у бактерий. Предполагается существование этого фермента у растений. В клетках животных он локализован в плазматич. мембранах, у бактерий-в мембранах и цитоплазме. Мол. масса А. у большинства организмов неизвестна; предполагают, что она колеблется в пределах 150-600 тыс. Из ряда бактерий А. выделена в индивидуальном виде; мол. масса каталитич. субъединиц в этих А.-30-40 тыс.

Схема активации аденилатциклазы; GTP-гуанозинтрифосфат.

Функционирует А. в составе сложного комплекса, состоящего из гормонального рецептора (R), расположенного на внеш. стороне клеточной мембраны, внутримембранного регуляторного белка (G), в состав к-рого входит остаток гуанозиндифосфата (GDP), и каталитич. субъединицы (CS). Активация А. осуществляется в результате действия нек-рых гормонов, напр. глюкагона, тиреотропного, адренокортикотропного и лютеинизирующего гормонов, простагландинов группы Е. Гормон, взаимодействуя с R, образует гормон-рецепторный комплекс HorR, к-рый, реагируя с G-GDP (см. схему), вызывает каскад р-ций. Непосредственно катализирует превращение АТФ в цАМФ комплекс CS * [G-GTP], к-рый в клетке быстро распадается на CS и G-GDP.

В клетке существуют также рецепторы (напр., ацетилхолина, чувствительного к мускарину), к-рые тормозят синтез цАМФ. Эти рецепторы функционируют в комплексе с регуляторными G-белками, отличными от тех, к-рые участвуют в активации фермента. Благодаря механизму активации и ингибирования А. нейроэндокринная система может регулировать концентрацию цАМФ в клетке.

Лит. см. при ст. Аденозинмонофосфат циклический

цАМФ был открыт в конце 50-х годов прошлого века как вторичный посредник, передающий сигналы в клетку от множества гормонов, нейротрансмиттеров, простагландинов, ряда других субстанций, которые активируют аденилатциклазу. До недавнего времени считалось, что универсальным механизмом действия цАМФ является активация протеинкиназы А. В 1998 г. были обнаружены новые внутриклеточные мишени цАМФ – белки Epac1 и Epac2 (E xchange P roteins A ctivated by c AMP). Они широко распространены в организме и по крайней мере один из этих белков, Epac1, выявлен во всех исследованных тканях. Связывая цАМФ, белки Epac взаимодействуют с низкомолекулярными G-белками Rap1A/2B и стимулируют замещение ГДФ на ГТФ в их регуляторном центре, поэтому их обозначают также как cAMP-GEF (guanine nucleotide exchange factor). Белки Rap активируют протеинкиназу B-Raf, которая, в свою очередь, активирует протеинкиназный каскад MEK/Erk. Несколько позднее было установлено, что помимо Rap, белки Epac активируют специфичную к фосфоинозитидам фосфолипазу С-e, K_ATP-каналы, влияют на функционирование хлорных каналов (Holz, 2006). В кардиомиоцитах мыши выявлен макромолекулярный комплекс Epac1 с рианодиновыми рецепторами, протеинкиназой А и фосфодиэстеразой цАМФ (Dodge-Kafka et al ., 2005).

Изучение роли белков Epac в регуляции цАМФ-зависимых физиологических процессов находится на начальной стадии. Показано, что, наряду с протеинкиназой А, белки Epac активируют секрецию, влияют на межклеточные взаимодействия, процессы дифференцировки и апоптоза, принимают участие в регуляции ионных каналов и передачи сигнала в синапсе. (Holz, 2006). цАМФ играет ключевую роль в регуляции работы сердца и всей сердечно-сосудистой системы, вызывая расслабление кровеносных сосудов (Kotlikoff, 1996) и стимуляцию сократимости сердца (Kammerer, 2003). Доказано, что в реализации этих эффектов цАМФ участвует протеинкиназа А, однако роль белков Epac в проявлении действия цАМФ на сосуды и сердце не исследовалась.

Ингибирование фосфодиэстеразы. Аденозин 3’-5’-цикломонофосфат (цАМФ) и гуанозин 3’-5’-цикломонофосфат (цГМФ) играют важную роль в регуляции тонуса гладкомышечных клеток, и увеличение концентрации этих веществ причинно связано с релаксацией мускулатуры.

Внутриклеточная концентрация циклических нуклеотидов определяется их относительной скоростью образования посредством агонист-индуцируемой стимуляции аденилатциклазы (агонист - норадренолин) и гуанилатциклазы (агонист - ацетилхолин), а также скоростью их гидролиза фосфодиэстеразными ферментами клеток (ФДЭ).

ЦАМФ и цГМФ синтезируются из соответствующих нуклеозидтрифосфатов с помощью мембранносвязанных ферментов аденилатциклазы и гуанилатциклазы, соответственно. цАМФ и цГМФ инактивируются ФДЭ до неактивных нециклических рибозофосфатов.

Аденилатциклазная система универсальна; цАМФ и цГМФ являются важными внутриклеточными вторичными мессенжерами в гладкомышечных клетках различных органов (гладкая мускулатура ЖКТ, трахеи, бронхов, матки, мочеточников, сосудов, миокарда), а также клетках других тканей (тромбоциты, лимфоциты, секреторные клетки, ЦНС и т.д.); она обеспечивает различные функции (тонус мышц, секреция, агрегация и т.д.). Значительная вариация функций аденилатциклазной системы обеспечивается существованием многочисленных изоферментов ФДЭ в различных видах тканей (тканеспецифические и видоспецифические). Изоферменты ФДЭ отличаются по их физическим и кинетическим характеристикам, субстратной (цАМФ или цГМФ) специфичности, чувствительности к эндогенным активаторам и ингибиторам, чувствительности к фосфорилированию с помощью протеинкиназ, распределению в тканях и локализации в клетке. Так, различия во внутриклеточном распределении изоферментов ФДЭ является важным фактором, определяющим их индивидуальную регуляторную роль. По данным серии экспериментальных исследований установлено около 7 различных семейств ФДЭ: Ca2+-кальмодулин-зависимые (ФДЭ I), цГМФ-стимулируемые (ФДЭ II), ц-ГМФ-ингибируемые (ФДЭ III), цАМФ-специфические (ФДЭ IV), цГМФ-специфические (ФДЭ V), фотоспецифические (ФДЭ VI), высокоаффинные (устойчивые) (ФДЭ VII).

Таким образом, ФДЭ играет основную роль в регуляции тонуса гладкой мускулатуры и представляет собой удобную клеточную мишень для разработки лекарственных препаратов.

ФДЭ, выделенные из различных тканей, содержат все изоферменты, но в разных количествах. В экспериментальных исследованиях были установлены наиболее значимые типы ФДЭ в разных тканях и созданы селективные ингибиторы ФДЭ. Так, известны селективный ингибитор ФДЭ III милринон, селективный ингибитор ФДЭ IV ролипрам, селективный ингибитор ФДЭ V запринаст. Милринон является некатехоламиновым инотропным средством для кардиомиоцитов и вызывает релаксацию гладкой мускулатуры сосудов; ролипрам, по первоначальным данным, являлся ингибитором ФДЭ мозга, а затем его эффект был показан на ФДЭ IV мускулатуры дыхательных путей, клетках печени, лимфоцитов.

Результаты исследований показали, гладкая мускулатура толстого кишечника содержит почти все изоформы ФДЭ, и не только неселективные ингибиторы, но и селективные ингибиторы ФДЭ III, IV, V типов вызывали расслабление. Ролипрам, прототип селективного ингибитора ФДЭ IV, обладает наиболее выраженным спазмолитическим эффектом, как для продольной, так и поперечной мускулатуры кишечника. Эти результаты доказали, что ФДЭ IV типа функционально наиболее важна в регуляции контрактильной активности кишечника, и что селективный ингибитор ФДЭ IV может быть использован в лечении гипермоторных состояний и различных заболеваний, связанных со спастическими состояниями ЖКТ.

В гладкомышечных клетках мочевыводящих путей обнаружено существование, по крайней мере, трех различных изоформ (I, II, IV), преобладает ФДЭ IV (6).

Миометрий при беременности содержит большие дозы ФДЭ IV (50%) и ФДЭ III (10%). ФДЭ IV содержится как в начальном периоде беременности, так и в последнем триместре. Предполагается, что ФДЭ IV в конце беременности способствует (через изменение уровня цАМФ) подготовке миометрия к родами контролю за сократительной активностью матки. Использования в опыте на изолированной матки, показали, что селективные ингибиторы ФДЭ IV могут снижать чувствительность органа к окситоцину и приводить к быстрому расслаблению матки после применения максимальной концентрации окситоцина, что может быть полезно при преждевременных родах.