ОСНОВЫ БИОХИМИИ ЛЕНИНДЖЕРА - ТОМ 1. ОСНОВЫ БИОХИМИИ СТРОЕНИЕ И КАТАЛИЗ - 2011
ЧАСТЬ I. СТРОЕНИЕ И КАТАЛИЗ
12. БИОСИГНАЛИЗАЦИЯ
12.4. Рецепторные гуанилатциклазы, cGMP и протеинкиназа G
Гуанилатциклазы (рис. 12-20) — рецепторные ферменты, которые в активированном состоянии производят из GTP вторичный мессенджер 3',5'-циклический гуанозинмонофосфат (циклический GMP, cGMP):
Рис. 12-20. Два изофермента гуанилатциклазы, участвующие в передаче сигнала, а) Один изофермент существует в двух похожих пронизывающих мембрану формах, активирующихся внеклеточными лигандами: атриальным натрийуретическим фактором (АNF) (рецепторы в клетках собирательных трубочек почек и гладкой мускулатуры кровеносных сосудов) и гуанидином (рецепторы в клетках эпителия кишечника). Рецептор гуанидина является также мишенью одного из видов бактериального эндотоксина, который вызывает сильную диарею. б) Другой изофермент растворим и активируется внутриклеточным монооксидом азота (NО); эта форма находится во многих тканях, в том числе в гладкой мускулатуре сердца и кровеносных сосудов.
У животных многие эффекты cGMP опосредованы cGMP-зависимой протеинкиназой (протеин- киназой G, PKG). При активации за счет cGMP PKG фосфорилирует в белках-мишенях остатки Ser и Thr. Каталитический и регуляторный домены этого фермента содержатся в одной-единственной полипептидной цени (Мr ≈ 80 000). Часть регуляторного домена хорошо укладывается в субстрат- связывающий карман. Связывание cGMP приводит к выталкиванию этого «псевдосубстрата» из участка связывания и освобождает этот участок для присоединения белков-мишеней, содержащих консенсусную последовательность PKG.
В разных тканях циклический GMP переносит разную информацию. В почках и кишечнике он индуцирует изменения ионного транспорта и удержание воды; в сердечной мышце (тип гладкой мускулатуры) он передает сигнал о расслаблении; в мозге он может принимать участие как в развитии, так и в работе взрослого мозга. Гуанилатциклаза в почках активируется гормоном атриальным натрийуретическим фактором (ANF, от англ. atrial natriuretic factor), который высвобождается в предсердии, когда сердце увеличивается при увеличении объема крови. Переносимый кровью в почки, ANF активирует гуанилатциклазу в клетках собирательных трубочек (рис. 12-20, а). В результате увеличивается концентрация cGMP, что стимулирует усиленное выведение ночками Na+ и, следовательно, воды, обусловленное изменением осмотического давления. Потеря воды уменьшает объем крови, противодействуя стимулу, который вначале привел к секреции ANF. В гладкой мускулатуре сосудов также расположена ANF-рецепторная гуанилатциклаза; при связывании со своим рецептором ANF вызывает расслабление (вазодилатацию) кровеносного сосуда, что увеличивает ток крови при уменьшении кровяного давления.
Похожая рецепторная гуанилатциклаза в плазматической мембране клеток эпителия кишечника активируется кишечным пептидом гуанидином (рис. 12-20, а), который регулирует секрецию Сl- в кишечнике. Этот рецептор является также мишенью устойчивого к нагреванию пептидного эндотоксина, вырабатываемого Escherichia coli и другими неотрицательными бактериями. Увеличение концентрации cGMP, вызванное действием эндотоксина, увеличивает секрецию С1 и, как следствие, уменьшает реабсорбцию воды кишечным эпителием, что приводит к диарее.
Принципиально другим типом туанилатциклазы является цитозольный белок, содержащий прочно связанную гемовую группу (рис. 12-10, б). Этот белок активируется монооксидом азота (NO). Монооксид азота производится из аргинина Са2+-зависимой NO-синтазой, присутствующей в тканях млекопитающих, и диффундирует из клетки-источника в соседние клетки.
Молекула NO сравнительно слабо поляризована, поэтому она может проникать сквозь плазматическую мембрану без помощи переносчика. В клетках-мишенях NO связывается с гемовой группой гуанилатциклазы и стимулирует образование сGМР. В сердце сGМР снижает силу сокращений путем стимуляции ионных насосов, удаляющих Са2+ из цитозоля.
■ Вызванная NO релаксация сердечной мышцы и есть тот самый ответ, который наблюдается при приеме таблеток нитроглицерина или других вазодилататоров для снятия боли при стенокардии, когда из-за блокированных коронарных артерий сердечные сокращения происходят при недостатке кислорода. Монооксид азота нестабилен, и его действие кратковременно; за несколько секунд он окисляется до нитрита или нитрата. Вазодилататоры вызывают длительную релаксацию сердечной мышцы, так как они разлагаются в течение нескольких часов, обеспечивая постоянное поступление NO. Значение нитроглицерина как средства лечения стенокардии было обнаружено в 1860-х гг. по счастливой случайности на предприятиях, производящих нитроглицерин в качестве взрывчатки. Рабочие, страдающие стенокардией, сообщали, что их состояние существенно улучшалось во время рабочей недели, а в выходные дни болезнь возвращалась. Врачи, лечившие этих рабочих, слышали эту историю так часто, что стали искать причинно- следственные связи — так появилось лекарство.
Эффекты, связанные с усиленным синтезом сGМР, уменьшаются после прекращения действия стимула, так как специфическая фосфодиэстераза (сGМР-РDЕ) превращает сGМР в неактивный 5'-GМР. У человека существует несколько изоформ сGСМР-РDЕ с разным распределением по тканям. Изоформа в кровеносных сосудах пениса ингибируется лекарством силденафилом (виагра), которое таким образом поддерживает повышенный уровень сGМР после однократного действия стимула. Это является причиной применения этого лекарства для лечения нарушений эрекции. ■
Циклический cGMP имеет и второй механизм действия в глазу позвоночных: он вызывает открытие ион-специфических каналов в колбочках и палочках сетчатки. Мы вернемся к этой роли cGMP при рассмотрении передачи сигнала в процессе зрения в разд. 12.10.
Краткое содержание раздела 12.4 Рецепторные гуанилатциклазы, CGMP И протеинкиназа G
■ Некоторые сигнальные вещества, в том числе атриальный натрийуретический фактор и кишечный пептид гуанилин, действуют через рецепторный фермент, обладающий гуанилатциклазной активностью. Образовавшийся cGMP работает как вторичный мессенджер, активируя cGMP-зависимую протеин киназу (PKG). Этот фермент изменяет метаболизм посредством фосфорилирования специфических белков-мишеней.
■ Монооксид азота (NО) является короткоживущим мессенджером, который действует, стимулируя растворимую гуапилатциклазу, при этом повышается концентрация cGMP и стимулируется PKG.