Внутриклеточная коммуникация с участием вторых посредников. Кальций.

Регуляторные функции, описанные выше, включают воздействия на клеточную мембрану. Информация, полученная мембраной клетки, часто должна вызывать реакцию органелл и переносится к ним различными веществами, известными как вторые посредники (в отличие от первых, поступающих к клетке от внешних источников). Изучение вторых посредников развивается быстро, и нет гарантии, что нынешний уровень понимания проблемы окажется достаточно полным. Здесь мы коснемся трех хорошо изученных посредников: кальций (Ca) , цАМФ и инозитолтрифосфата.

Рис. 1.16. Цепь реакций с участием внутриклеточного посредника ИФ3 (инозитолтрифосфата). Как и в системе цАМФ, внеклеточный сигнал опосредован через белок G, который в данном случае активирует фосфодиэстеразу (ФДЭ). Этот фермент расщепляет фосфати-дилинозиндифосфат (ФИФ2) в плазматической мембране до ИФ3 и диацилглицерола (ДАГ); ИФ3 диффундирует в цитоплазму. Здесь он вызывает выброс кальция (Ca) из зндоплазматического ретикулума; повышение концентрации кальция (Ca) в цитоплазме (кальция (Ca),) активирует протеин-киназу, которая фосфорилирует и, следовательно, активирует ферменты. Другой продукт, ДАГ, остается в мембране и активирует протеинкиназу С (кофактор-фосфатидилсерин, ФС). Протеинкиназа С также фосфорилирует ферменты, опосредующие специфическое действие, связанное со стимуляцией внешнего рецептора R. Ветви цепи реакций с участием ИФ3 и ДАГ могут быть активированы независимо иономицином и форбо-ловым эфиром соответственно (по [8, 9] с изменениями)

Кальций. Простейший внутриклеточный посредник - это ион кальция (Ca) . Его свободная концентрация в покоящейся клетке очень низка и составляет 108-107 моль/л. Он может проникать в клетку через специфические мембранные каналы, когда они находятся в открытом состоянии, например при изменениях мембранного потенциала. Возникающее в результате повышение концентрации кальция (Ca) запускает важные реакции в клетке, такие, как сокращение миофибрилл, которое является основой мышечного сокращения, или выделение везикул, содержащих медиаторы, из нервных окончаний. Обе реакции требуют концентрации кальция (Ca), равной приблизительно 10-5 моль/л. кальция (Ca) оказывающий регуляторное действие, может высвобождаться также и из внутриклеточных депо, таких, как эндоплазматический ретикулум. Высвобождение кальция (Ca) из депо требует участия других посредников (см., например, рис. 1.16).

Циклический аденозинмонофосфат, цАмф. ЦАмф в регуляции функции клетки.

В последнее время доказано, что циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), производное основного источника энергии в организме- АТФ, является важным вторым посредником. Сложная цепь реакций, показанная на рис. 1.15, начинается с рецептора Rs на наружной поверхности плазматической мембраны, который может служить местом специфического связывания для различных медиаторов и гормонов. После связывания со специфической «стимулирующей» молекулой Rs изменяет свою конформацию; эти изменения влияют на белок Gs на внутренней поверхности мембраны таким образом, что становится возможной активация последнего внутриклеточным гуанозинтрифосфатом (ГТФ). Активированный белок Gs, в свою очередь, стимулирует фермент на внутренней поверхности мембраны-аденилатциклазу (АЦ), которая катализирует образование цАМФ из АТФ. Водорастворимый цАМФ и является посредником, передающим эффект стимуляции внеклеточного рецептора Rs к внутренним структурам клетки.

Рис. 1.15. Цепь реакций с участием внутриклеточного посредника цАМФ (циклического аденозинмонофос-фата). Возбуждающий или тормозный внешние сигналы активируют мембранные рецепторы Rs или R Эти рецепторы регулируют процесс связывания G-белков с внутриклеточным ГТФ (гуанозинтрифосфатом), стимулируя или ингибируя тем самым внутриклеточную аденилатциклазу (АЦ). Усиливающий фермент АЦ превращает аденозинтрифосфат (АТФ) в цАМФ, который затем при участии фосфодиэстеразы расщепляется до АМФ. Свободный цАМФ диффундирует в клетку и активирует аденилаткиназу (А-киназу), высвобождая ее каталитическую субъединицу С, которая катализирует фосфорилирование внутриклеточных белков, т. е. формирует конечный эффект внеклеточного стимула. На схеме показаны также фармакологические препараты и токсины, которые запускают ( + ) или ингибируют ( —) некоторые реакции (по [8] с изменениями)

Параллельно со стимуляторной цепью реакций с участием Rs возможно связывание тормозных медиаторов и гормонов с соответствующим рецептором Ri, который опять-таки через ГТФ-активи-руемый белок Gi; ингибирует АЦ и, таким образом, продукцию цАМФ. Диффундируя в клетку, цАМФ реагирует с аденилаткиназой (А-киназа); при этом высвобождается субъединица С, которая катализирует фосфорилирование белка Р. Это фосфорилирование переводит белки в активную форму, и теперь они могут проявить свое специфическое регулирующее действие (например, вызвать деградацию гликогена). Эта сложная регуляторная система чрезвычайно эффективна, так как конечным результатом является фосфорилирование множества белков, т. е. регуляторный сигнал проходит цепь с большим коэффициентом усиления. Наружные медиаторы, которые связываются с рецепторами Rs и Ri, специфическими для каждого из них, чрезвычайно разнообразны. Адреналин, связываясь с Rs или Ri, участвует в регуляции метаболизма липидов и гликогена, а также в усилении сокращения сердечной мышцы и в других реакциях.

Тиреотропный гормон, активируя Rss, стимулирует выделение щитовидной железой гормона тироксина, а простагландин I тормозит агрегацию кровяных пластинок. Ингибиторные эффекты, в том числе адреналина, опосредованные через Ri, выражаются в замедлении липолиза. Таким образом, система цАМФ-это многофункциональная внутриклеточная регуляторная система, которая может точно контролироваться внеклеточными стимуляторными и ингибиторными сигнальными веществами.