Вторичные мессенджеры обеспечивают распространение информации
Системы вторичных мессенджеров обеспечивают хорошее распространение путей передачи информации.
Основные положения:
- Вторичные мессенджеры распространяют сигналы между белками, которые находятся на определенном расстоянии друг от друга.
- цАМФ и Са2+ представляют собой распространенные вторичные мессенджеры.
При передаче сигналов используются как белки, так и небольшие молекулы, обладающие характерными свойствами. Небольшие молекулы, которые функционируют как внутриклеточный сигнал, или вторичный мессенджер , имеют ряд преимуществ перед белками в качестве сигнального интермедиата. Небольшие молекулы быстро образуются и столь же быстро распадаются. Поскольку они синтезируются быстро, они могут действовать в высоких концентрациях, так что их сродство к белкам-мишеням может быть невысоким. Низкое сродство позволяет малым молекулам моментально диссоциировать, так что передача сигнала может быть быстро прервана, когда свободные молекулы вторичного мессенджера распадаются или инактивируются. Поскольку молекулы вторичного мессенджера невелики, они способны быстро распространяться по клетке, хотя во многих клетках существуют механизмы, препятствующие этому. Таким образом, при выработке быстрой реакции на сигнал, особенно связанной с преодолением расстояния, вторичные мессенджеры обладают рядом преимуществ перед белками. Вторичные мессенджеры используются также, когда необходимо одновременно адресовать сигналы многим белкам-мишеням. Эти их преимущества часто компенсируют отсутствие у них каталитической активности и неспособность одновременно связывать несколько молекул.
На рис. 18.14 представлены внутриклеточные вторичные мессенджеры, возникшие в ходе эволюции. Количество их невелико, что вызывает удивление. Некоторые представляют собой нуклеотиды , образовавшиеся из основных метаболических предшественников. Это цАМФ , цГМФ , ффГффф и циклоАДФ-рибоза . Прочие растворимые вторичные мессенджеры включают фосфорилированный сахар , инозитол-1,4,5-трифосфат (IP3) и двухвалентный ион Са2+ , а также свободный радикал , окись азота (NO) . К вторичным мессенджерам липидной природы относятся диацилглицерин и фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфат , фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат , сфингозин-1-фосфат и фосфатидная кислота .
Первой из сигнальных молекул, описанной как вторичный мессенджер, относится цАМФ. Это название он получил потому, что цАМФ образуется в клетках животных как второй внутриклеточный сигнал, в ответ на действие многих внеклеточных гормонов, т.е. первых мессенджеров на пути передачи сигнала. цАМФ принимает участие в передаче информации различным регуляторным белкам у прокариот, грибов и в клетках млекопитающих (его присутствие у высших растений пока не доказано).
Активность аденилатциклазы , фермента который синтезирует цАМФ из АТФ , регулируется различными путями, в зависимости от организма, в котором она функционирует. У животных аденилатциклаза представляет собой интегральный белок плазматической мембраны, и ее множественные формы активируются при действии различных агентов ( рис. 18.13 ). В клетках животных аденилатциклаза обычно активируется под действием Gs , который первоначально был описан как регулятор активности фермента. Некоторые ферменты грибов также активируются G-белками . Циклазы бактерий характеризуются более разнообразными системами регуляции активности.
цАМФ удаляется двумя способами. Он может выходить из клетки под действием АТФ-зависимого анионного насоса , но гораздо чаще гидролизуется представителями семейства фосфодиэстераз циклических нуклеотидов . Это большая группа белков, которые сами находятся под множественным регуляторным контролем.
Прототипом регулятора цАМФ у животных является цАМФ-зависимая протеинкиназа , однако вскоре после идентификации этого фермента у бактерий был обнаружен цАМФ-регулируемый фактор транскрипции , а в настоящее время известны и другие эффекторы ( рис. 18.14 ). Система цАМФ остается прототипом сигнальной системы эукариот. Это выражается в том, что ее компоненты представляют собой почти все известные разновидности сигнальных молекул и демонстрируют все виды их взаимодействий: гормон , рецептор , G-белок , аденилатциклаза , протеинкиназа , фосфодиэстераза и выводящий насос .
Протеинкиназа PKA , активность которой стимулируется вторичным мессенджером, представляет собой тетрамер, состоящий из двух каталитических (С) и двух регуляторных (R) субъединиц ( рис. 18.15 ). Субъединица R связывается с каталитической субъединицей посредством сайта связывания субстрата, и, таким образом, С поддерживается в неактивном состоянии. Каждая субъединица R связывает две молекулы циклического нуклеотида, т.е. четыре молекулы цАМФ на холофермент PKA. Когда сайты связывания оказываются заполненными, димер субъединиц R быстро диссоциирует, оставляя две высокоактивные свободные каталитичнеские субъединицы. Сродство R к С в присутствии и в отсутствие цАМФ, различается примерно в 10000 раз. Выраженный кооперативный характер связывания цАМФ приводит к очень крутому подъему кривой активации и к порогу, ниже которого существенной активации PKA не происходит ( рис. 18.15 ). Таким образом, активность PKA резко возрастает в очень узком диапазоне концентрации цАМФ. PKA также регулируется за счет фосфорилирования петли активации . Фосфорилирование происходит одновременно с трансляцией и необходимо для сборки тетрамера R2C2.
В основном PKA представляют собой цитозольные белки и занимают в клетке специфические места, связываясь с каркасными структурами органелл ( белки, закрепляющие A-киназу, или AKAP ). Эти AKAP способствуют фосфорилированию мембранных белков, включающих GPCR , переносчики и ионные каналы. Они также обеспечивают локализацию PKA в других местах: в митохондриях , цитоскелете и в центросомах . AKAP часто содержат сайты связывания для таких регуляторных молекул, как фосфопротеинфосфатазы и другие протеинкиназы , которые необходимы для координации функционирования нескольких сигнальных путей и интеграции выходных сигналов.
Обычно PKA фосфорилируют субстраты с участием последовательности Arg-Arg-Xaa-Ser-Гидрофобный остаток, которая у большой группы киназ узнает остатки основных аминокислот, расположенные перед сайтом фосфорилирования. PKA участвует в регуляции активности различных внутриклеточных белков, от ионных каналов до факторов транскрипции, и благодаря субстратной специфичности фермента, часто, на основании анализа первичной структуры белка, можно предсказать, является ли он субстратом для киназы. PKA фосфорилирует Ser 133 в CREB , представляющем собой белок, связывающийся с цАМФ-зависимым элементом, который в основном обеспечивает влияние цАМФ на транскрипцию многих генов.
Смотрите также:
