Аденілатциклазна месенджерна система.

Найбільш вивченим є аденілатциклазний шлях передачі гормонального сигналу. В ньому приймає участь ряд білків: 1)рецептор гормону; 2)фермент аденілатциклаза, що виконує функцію синтезу ц-АМФ; 3)G-білок, здійснює зв’язок між аденілатциклазою та рецептором; 4)цАМФ-залежна протеїнкіназа, що каталізує фосфорилювання внутрішньоклітинних ферментів або білків-мішеней, відповідно змінюючи іх активність; 5) фосфодиестераза, яка викликає розпад цАМФ і цим припиняє (обриває) дію сигналу .

Адреналін

Мембрана

G

АЦ

Саркоплазматичний ретикулум

АТФ

РРі

цАМФ

5’-АМФ

Са²⁺

+

ПРОТЕЇНКІНАЗА

Кіназа Ф b неактивна

C

R

АТФ

Рі

Фосфатаза КФ b

C

R

КФ b активна

АДФ

Н₂О

АТФ

АДФ

2 АТФ

2АДФ

ГЛІКОГЕН

Фосфорилаза

а

активна

ГС неактивна

ГС активна

Фосфорилаза

b

активна

УДФ

Рі

УТФ

РРі

Фосфатаза

ГС

УДФ-Глк

Глк-1-

Р

2 Н₂О

Н₂О

2Рі

Рі

Глк-6-

Р

Фосфатаза

Ф а

ІНСУЛІН

Глюкоза

---

Са²⁺

Кров

Рис.9 Вплив центральної ролі цАМФ і протеїнкінази в гормональній регуляції синтезу і розпаду глікогену.

А

Р

дреналінрецепторний комплекс: АЦ – аденілатциклаза, G- G-білок; С і R-відповідно каталітичні і регуляторні субодиниці протеїнкінази; КФ-кіназа фосфорилази b; Ф-фосфорилаза; Глк-1-Р -глюкозо-1-фосфат; Глк-6-Р -глюкозо-6-фосфат; УДФ-Глк-уридиндифосфатглюкоза; ГС-глікогенсинтаза.

Отримані в чистому вигляді a- і b-адренергічні рецептори з плазматичних мембран клітин печінки, м’язів і жирової тканини. Показано, що зв’язування гормону з b-адренергічним рецептором призводить до структурних змін внутрішньоклітинного домену рецептора, що, в свою чергу, забезпечує його взаємодію з іншим білком сигнального шляху - ГТФ-зв’язуючим.

ГТФ-зв’язуючий білок - G-білок - містить два типи білків: активний GS (від англ. Stimulatory G ) і інгібіторний Gi (М.м 80000 –90000). В складі кожного з них є три різні субодиниці (a, b і g), тобто це гетеротримери. Показано, що b-субодиниці GS і G є ідентичні (М.м 35000); в цей же час -g-субодиниці, є продуктами різних генів (М.м 45000 і 41000), виявилися відповідальними за виявлення G- білком активаторної і інгібіторної активності відповідно. Гормонорецепторний комплекс надає G-білку здатність не тільки легко обмінювати ендогенно зв’язаний ГДФ на ГТФ, але й переводити GS білок в активний стан, при цьому активний G-білок дисоціює в присутності іонів Mg²⁺ на b- і g- субодиниці і комплекс a-субодиниці GS в ГТФ-формі; цей активний комплекс переміщується до молекули аденілатциклази і активує її. Сам комплекс потім піддається самоактивації за рахунок енергії розпаду ГТФ і реасоціації b- і g- субодиниць з утворенням початкової ГТФ-форми GS.

Аденілатциклаза є інтегральним білком плазматичних мембран, її активний центр спрямований в бік цитоплазми і каталізує реакцію синтезу цАМФ з АТФ:

Аденілатциклаза

А ТФ цАМФ +РР1

Каталітичний компонент аденілатциклази, виділений з різних тканин тварин, представлений одним поліпептидом ( М.м 120000 - 150000); при відсутності G-білків він практично неактивний; містить дві SH-групи, одна з яких знаходиться в спряженні з GS білком, а друга необхідна для виявлення каталітичної активності. В молекулі ферменту є декілька алостеричних центрів, через які здійснюється регуляція активності низькомолекулярними сполуками: іонами Mg²⁺, Mn²⁺, Ca²⁺ , аденозином. Під дією фосфодиестерази цАМФ гідролізується з утворенням неактивного 5’-АМФ.

Протеїнкіназа - це внутрішньоклітинний фермент, через який цАМФ реалізує свій ефект. Протеїнкіназа представлена у вигляді тетрамерного комплексу, який складається з двох каталітичних (С₂) і двох регуляторних (R₂) субодиниць (М.м 49000 і 38000 відповідно); в цій формі фермент є неактивним. В присутності цАМФ протеїнкіназний комплекс оборотньо дисоціює на одну R₂ -субодиницю і дві вільні каталітичні субодиниці С; останні проявляють ферментативну активність, каталізуючи фосфорилювання білків і ферментів, відповідно змінюючи клітинну активність.

Слід відмітити, що в клітинах відкритий великий клас цАМФ-залежних протеїнкіназ, названих протеїнкіназами А; вони каталізують перенесення фосфатної групи на ОН-групи серину і треоніну (так звані серин-треонін-кінази). Другий клас протеїнкіназ, зокрема ті, що активуються інсуліновим рецептором, діють тільки на ОН-групу тирозину.

Активність багатьох ферментів регулюється цАМФ-залежним фосфорилюванням, відповідно більшість гормонів білково-пептидної природи активує цей процес. Однак ряд гормонів виявляє гальмівний ефект на аденілатциклазу, відповідно знижуючи рівень цАМФ і фосфорилювання білків. Зокрема, гормон соматостатин, з’єднуючись з своїм специфічним рецептором - інгібіторним G-білком (G₁), який є структурним гомологом GS білка, інгібує аденілатциклазу і синтез цАМФ, тобто проявляє ефект, протилежний тому, що викликається адреналіном і глюкагоном. В ряді органів простагландини (зокрема PGE₁) також викликають інгібіторний ефект на аденілатциклазу, хоча в тому ж органі (в залежності від типу клітин), цей же PGE₁ може активувати синтез цАМФ.

Більш детально вивчено механізм активування і регуляції м’язової глікогенфосфорилази, яка активує розпад глікогену. Виділяють 2 форми: каталітично активну - фосфорилаза а і неактивну - фосфорилаза b Обидві фосфорилази побудовані з двох ідентичних субодиниць (М.м 94500), в кожній залишок серину в положенні 14 піддається процесу фосфорилювання - дефосфорилювання, відповідно активуванню та інактивуванню.

Під дією кінази фосфорилази b, активність якої регулюється цАМФ-залежною протеїнкіназою, обидві субодиниці молекули неактивної форми фосфорилази b піддаються ковалентному фосфорилюванню і перетворенню в активну фосфорилазу а. Дефосфорилювання останньої під дією специфічної кінази фосфорилази а призводить до інактивації ферменту і поверненню до початкового стану.

В м’язовій тканині відкрито 3 типи регуляції активності глікогенфосфорилази. Перший тип – ковалентна регуляція, яка побудована на гормонзалежному фосфорилюванні – дефосфорилюванні субодиниць фосфорилази.

H O OH 2АМФ HO OH

S S Аденілювання S S

Деаденілювання

АМФ АМФ

Фосфорилаза b 2АМФ Фосфорилаза b

неактивна активна

Рис.10. Алостерична регуляція глікогенфосфорилази.

Другий тип – алостерична регуляція. Вона побудована на реакціях аденілювання – деаденілювання субодиниць глікогенфосфорилази b (активування – інактивування). Напрямок реакцій визначається співвідношенням концентрацій АМФ та АТФ, які приєднуються не до активного центру, а до алостеричного центру кожної субодиниці .

В м’язі, який працює накопичення АМФ, обумовлено затратою АТФ, викликає аденілювання і активування фосфорилази. У стані спокою, навпаки, високі концентрації АТФ, витісняючи АМФ, призводять до алостеричного інгібування цього фермента шляхом деаденілювання.

цАМФ та протеїнкіназа відіграють центральну роль у гормональній регуляції синтезу і розпаду глікогену в печінці.

Третій тип – кальцієва регуляція, яка основана на алостеричному активуванні кінази фосфорилази b іонами Са²⁺, концентрація яких підвишується при м’язовому скороченні, цим самим утворює активну фосфорилазу а.