Курсовая работа: Постсинаптическая трансформация сигнала
цАМФ-зависимое фосфорилирование белков нервных окончаний оказывает существенное влияние на синаптическую передачу. Так, установлено, что мутации у дрозофил, изменяющие метаболизм цАМФ, приводят к плейотропным нарушениям механизма обучения. У моллюска аплизии серотонинергическая синаптическая передача усиливается инъекцией цАМФ в нейрон или инкубацией ганглия с блокаторами фосфодиэстеразы. Так как известно, что входящий ток кальция является непременным посредником в осуществлении синаптического действия, полагают, что серотонин усиливает такой ток посредством повышения внутриклеточного уровня цАМФ и активности А-киназы. Прямые доказательства осуществления этого механизма получены в экспериментах, где отмечено увеличение Са-проводимости нейронов улитки при инъекции в них К-субъединицы А-киназы. Блокаторы протеинкиназы А оказывают противоположный эффект – быстрое снижение Са-проводимости.
Повышение уровня ионизированного Са+ внутри клетки при открывании Са-каналов может способствовать снижению в ней содержания цАМФ за счет активации Са – КМ-зависимой фосфодиэстеразы и по принципу отрицательной обратной связи приводить к переходу Са-каналов в неактивное состояние. Введение в нейрон теофиллина замедляет процесс ослабления Са-проводимости. Таким же влиянием на кальциевую проводимость обладают ингибиторы кальмодулина, например трифтазин.
Таким образом, функционирование Са-каналов прямо регулируется протеинкиназой А, осуществляющей фосфорилирование их белковых компонентов, а также опосредованно контролируется гормонами, медиаторами и другими факторами, вызывающими или активацию аденилатциклазы, или ее ингибирование. При нарушении фосфорилирования каналы быстро теряют способность активироваться под действием изменения трансмембранного электрического поля. В течение некоторого времени это состояние является обратимым и фосфорилирование снова переводит каналы в рабочее состояние либо изменяя кинетику их активации, либо включая ранее неактивные каналы. При длительном нарушении цАМФ-зависимого фосфорилирования каналы подвергаются необратимым изменениям.
Дополнительный путь для токов Са+ внутрь клетки могут образовывать хемоуправляемые каналы, непосредственно активируемые медиаторными веществами в ответ на их взаимодействие с рецепторами. В отличие от электроуправляемых Са-каналов время жизни этих каналов существенно больше, однако относительное количество ионов, переносимых через хемоуправляемые каналы, вероятно, невелико по сравнению с электроуправляемым путем. По ряду данных хемоуправляемые каналы полностью инактивируются при увеличении внутриклеточного содержания цАМФ.
Заслуживает также рассмотрения участие цАМФ в К- и Na-проводимости мембраны.
Известно, что болевое раздражение усиливает рефлекс втягивания жабры у моллюска эплизии за счет модуляции секреции передатчиков сенсорными нейронами. Повышение чувствительности происходит за счет снижения К-проводимости и соответствующего увеличения продолжительности потенциала действия, в результате чего усиливаются Са-рефлекс и экзоцитоз. Болевое раздражение вызывает выделение серотонина "облегчающим" нейроном в окончаниях сенсорных нейронов. Серотонин, в свою очередь, увеличивает синтез цАМФ, активность протеинкиназы А и степень фосфорилирования белка, тесно связанного с К-каналом. В результате происходит закрытие канала. Блокада К-каналов приводит к тому, что приходящий в нервное окончание потенциал действия спадает медленно: "продленные" потенциалы действия удерживают потенциал-зависимые Са-каналы в открытом состоянии, вследствие чего приток ионов Са возрастает. Это, в свою очередь, ведет к опорожнению большего числа синаптических пузырьков. К блокаде К-каналов приводит также добавление АТФ и К-субъединицы протеинкиназы А в мембранные препараты нейронов; добавление протеинфосфатазы обусловливает открывание К-каналов.
Электрозависимые Na-каналы ответственны за формирование потенциала действия в возбудимых мембранах. Установлено, что в синаптосомах мозга а-субъединица №^каналов, играюшая центральную роль в функционировании этих каналов, фосфорилируется как эндогенной, так и экзогенной протеинкиназой А. Фосфорилирование приводит к ингибированию активированного нейротоксинами входящего Na-тока. Таким образом, активность Са-каналов, К-каналов и Na-каналов нейронов модулируется под действием протеинкиназы А и / или через изменение скорости их дефосфорилирования протеинфосфатазами.
Отметим, что протеинкиназа А в нервной ткани регулирует также чувствительность р-адренорецепторов к агонистам. Так, десенситизация этих рецепторов коррелирует с их цАМФ-зависимым фосфорилированием. Установлена также регуляция А-киназой биосинтеза самих р-агонистов. Эта регуляция осуществляется с помощью цАМФ-зависимого фосфорилирования тирозингидроксилазы – узлового фермента биосинтеза катехоламинов. Такое фосфорилирование может быть составной частью механизма ускорения биосинтеза катехоламинов в ответ на нервный импульс или секрецию нейромедиаторов в нервной ткани в условиях invivo,
Остановимся на роли цАМФ и еще одного вторичного посредника – 2', 5'-олигоаденилатав регуляции пролиферации и дифференцировки нервных клеток. 2–5А – это олигонуклеотид, состоящий из нескольких остатков АМФ, связанных 5'-фосфодиэфирной связью. В клетке существуют 2 фермента, обеспечивающие определенный уровень 2–5А. Олигосинтетаза– фермент биосинтеза 2–5А, активен лишь в присутствии двуспиральной РНК; молекулярная масса – 100–105 кД. 2'-Фосфодиэстераза гкдролизует 2–5А до АМФ и АТФ, молекулярная масса этого фермента около 40 кД.
Чтобы оценить биохимическое и физиологическое значение процессов образования 2–5А, необходимо остановиться на механизмах подавляющего влияния цАМФ на пролиферативный статус нервных клеток. Так, действие ряда факторов, в частности фактора роста нервов, а также повышение уровня цАМФ, вызванное теофиллиномили дибутирил-цАМФ, приводит к остановке деления и дифференцировке этих клеток. Действие теофиллина в отличие от фактора роста нервов или дибутирильного аналога цАМФ носит кратковременный характер. Повышение концентрации цАМФ в результате ингибирования фосфодиэстеразы под действием теофиллина, как и в случае фактора роста нервов и дибутирил-цАМФ, приводит к блокаде активного деления и дифференцировке нервных клеток. Однако в дальнейшем падение активности фосфодиэстеразы, обусловленное теофиллином, и соответствующее увеличение уровня цАМФ компенсируется индукцией биосинтеза этого фермента. Именно этим и объясняется кратковременное действие теофиллина.
Повышение уровня цАМФ в нервных клетках, вызванное действием факторов, непосредственно влияющих на аденилатциклазную систему, сопровождается более чем 10-кратным увеличением концентрации 2–5А. Установлено, что рост уровня олиго синтетазы и концентрации 2–5А наблюдается при дифференцировке клеток и замедлении клеточного деления.
Исследование биологических свойств 2–5А показало, что этот олигоиуклеид способен обратимо активировать специфическую латентную нуклеазу, ускорять гидролиз РНК и, таким образом, ингибировать синтез белка invivoи тормозить процесс размножения клеток. Следовательно, повышение уровня 2–5А и изменение концентрации цАМФ является частью универсального механизма регуляции клеточного деления. К настоящему времени установлены два взаимодополняющих процесса, с помощью которых осуществляются эти регуляторные реакции. С одной стороны, стимуляция А-киназы при повышении уровня цАМФ приводит к фосфорилированию белка сМг – 18 кД. Этот белок в виде фосфоформы является ингибитором активности 2' – фосфодиэстеразы – фермента гидролиза 2–5А. С другой стороны, повышение концентрации цАМФ внутри клетки вызывает индукцию олиго синтетазы. осуществляющей синтез 2–5А.
Совокупность этих событий приводит к устойчивому повышению уровня 2–5А и связанному с этим переходу нервных клеток в состояние покоя. По-видимому, именно таким образом осуществляется ярко выраженный антинролиферативный эффект цАМФ, вызванный действием этого вторичного посредника на систему метаболизма 2–5А. При этом взаимное влияние уровней цАМФ и 2–5А основано на механизме отрицательной обратной связи. Так, установлено, что подъем уровня 2–5А, обусловленный увеличением внутриклеточной концентрации цАМФ по указанным механизмам, в свою очередь, способствует активации фосфодиэстеразы цАМФ. В результате происходит снижение уровня цАМФ и прекращение роста концентрации 2–5А, который является в этом случае вторичным посредником в проявлении антипролифера-тивного действия цАМФ.
1.3 Фосфодиэстераза
В прекращении сигнала цАМФ участвуют фосфодиэстераза, гидролизующая этот нуклеотид до АМФ. В противоположность аденилатциклазе фосфодиэстераза – преимущественно растворимый фермент. В то же время активность фермента обнаружена во фракциях саркоплазматического ретикулума, митохондрий и ядер.
Циклонуклеотидактивируемая фосфодиэстераза гидролизует как цАМФ, так и цГМФ, при этом под действием цГМФ ускоряется гидролиз цАМФ и наоборот, что свидетельствует о положительной кооперативности двух активных центров. Несомненна роль фермента в проведении нервного импульса: так, в постсинаптической мембране нервной ткани обнаружен необычайно высокий уровень фосфодиэстеразы цГМФ.
Для фосфодиэстеразы характерно наличие множественных форм. Эти формы различаются как по молекулярной массе, так и по сродству к одному и тому же и к различным циклическим нуклеотидам. В целом, сродство к циклическим нуклеотидам у фосфодиэстераз в 100–1000 раз ниже, чем у протеинкиназ А и G, поэтому при ускорении синтеза нуклеотидов сначала происходит насыщение циклическими нуклеотидами регуляторных центров киназ и лишь затем – гидролиз цАМФ и цГМФ фосфодиэстеразами.
В мозге содержатся Са-кальмодулинрегулируемые формы как цАМФ-синтезирующего, так и цАМФ-гидролизующего ферментов. Са-кальмодулинзависимая фосфодиэстераза представляет собой гомодимер, состоящий из субъединиц с различной молекулярной массой у разных изоформ фермента. Ограниченный протеолиз субъединицы 60 кД приводит к появлению фрагмента с Мг = 36 кД и необратимой активации фосфодиэстеразы. Фрагмент 36 кД более не активируется кальмодулином. Следовательно, субъединицы фосфодиэстеразы включают 2 фрагмента: каталитический и регуляторный.
Анализ регуляторных свойств фосфодиэстеразы в нервной ткани свидетельствует о тесном сопряжении между цАМФ- и Са-зависимыми системами внутриклеточной сигнализации; это сопряжение может модулироваться с помощью изоферментов фосфодиэстеразы. Так, в мозге быка найдены 2 изоформы Са-КМ-зависимой фосфодиэстеразы, состоящей из субъединиц с Мг = 60 и 63 кД. Изофермент с субъединицами 60 кД может быть фосфорилирован цАМФ-зависимой протеинкиназой, что приводит к уменьшению сродства фосфодиэстеразы к кальмодулину. Дефосфорилирование этого изофермента осуществляет Са-КМ-стимулируемая протеинфосфатаза; при этом восстанавливается чувствительность фосфодиэстеразы к кальмодулину.
В отличие от изофермента с субъединицами 60 кД фосфорилирование изоформы фосфодиэстеразы с субъединицами 63 кД осуществляется Са-КМ-зависимыми протеинкиназами. Это фосфорилирование также приводит к потере чувствительности фосфодиэстеразы к кальмодулину и "обращается" Са-КМ-стимулируемой протеинфосфатазой с восстановлением чувствительности фосфодиэстеразы к КМ. Очевидно, такой механизм регуляции фосфодиэстеразы реализуется в мозге invivo, несмотря на очень высокую, "насыщающую" концентрацию в нем КМ. Фосфорирование снижает сродство фермента к КМ и обусловливает зависимость его активности от физиологических концентраций Са+ .
В нервной ткани, таким образом, существует тесная взаимосвязь между двумя системами вторичных посредников, Са+ и цАМФ, осуществляемая посредством цАМФ- и Са-зависимого фосфорилирования-дефосфорилирования различных изоферментов фосфодиэстеразы цАМФ. Эта взаимосвязь может модулироваться также различным сродством к Са+ аденилатциклазы, фосфодиэстеразы, протеинкиназы и фосфатазы. Так, аденилатциклаза мозга активируется гораздо более низкими концентрациями Са чем фосфодиэстераза.
Кроме циклических нуклеотидов, Са+ и ограниченного протеолиза фосфодиэстеразу активируют также полианионы, фосфолипиды, жирные кислоты. Ингибиторами или активаторами фермента являются многочисленные фармакологические вещества. Фосфодиэстераза является более "удобной" мишенью для действия лекарственных препаратов, чем аденилатциклаза, так как менее специфична в отношении эффекторных влияний. Мощными ингибиторами фосфодиэстеразы являются производные ксантинов – ингибирование осуществляется блокадой аллостерического центра связывание нуклеотидов.
2. цГМФ-зависимое протеинфосфорилирование
Вскоре после открытия цАМФ-зависимых протенкиназ был обнаружен еще один класс циклонуклеотидзависимых фосфорилирующих ферментов, стимулируемых с помощью цГМФ, – протеинкиназыG. В тканях млекопитающих содержание протеинкиназ G весьма невелико. Наиболее высок уровень активности и содержания протеинкиназ G в мозжечке, сердечной мышце и легких, эти же ткани содержат и наибольшее количество цГМФ, не превышающее, впрочем, 10% от содержания в них цАМФ. Основное количество протеинкиназы G обнаружено в цитозоле, некоторая часть фермента связана с цитоплазматическими мембранами и ядерной фракцией.
Фермент состоит из двух примерно идентичных субъединиц, каждая из которых имеет каталитическую активность и способна связывать циклический нуклеотид. Ограниченным протеолизом можно перевести димер в мономеры и затем разделить каждую субъединицу на цГМФ-связывающий и каталитический фрагменты. Эти исследования наряду с выявленной гомологией между протеинкиназой G и протеинкиназой А II типа по субстратной специфичности, аминокислотной последовательности, способности к аутофосфорилированию, иммунологическим свойствам привели к представлению о том, что цАМФ и цГМФ-зависимые протеинкиназы эволюционировали от общего гена, кодирующего одну полипептидную цепь. В процессе развития цАМФ-зависимый фермент стал синтезироваться в виде разобщенных компонентов, тогда как цГМФ-зависимая протеинкиназа синтезируется как одна цепь.
В отличие от каталитической субъединицы протеинкиназы А, способной высвобождаться во время активации фермента, внутриклеточное перемещение "недиссоциированной" протеинкиназы G может быть затруднен. На основании аминокислотного анализа протеинкиназы G было установлено, что одна субъединица фермента содержит два центра связывания нуклеотида.
Регуляторная N-концевая половина молекулы протеинкиназы G сходна с семейством цАМФ-связывающих белков, в то время как каталитическая Сконцевая половина родственна группе киназ с различной специфичностью. Протеинкиназа G способна к аутофосфорилированию из расчета 2 моля фосфата на 1 моль холофермента. Аутофосфорилирование не изменяет сродства к цГМФ и незначительно повышает Vmakc фосфотрансферазной реакции, но заметно увеличивает сродство протеинкиназы G к цАМФ. Таким образом, аутофосфорилирование может обусловливать регуляцию протеинкиназы G не только с помощью цГМФ, но и цАМФ.
Протеинкиназа G фосфорилирует, вероятно, те же аминокислотные остатки в молекуле субстрата, что и протеинкиназа А, но с гораздо меньшей скоростью. Различная скорость фосфорилирования протеинкиназ А и G может являться основой их субстратной специфичности.
Как упоминалось, наибольшее содержание протеинкиназы G в нервной ткани отмечено в мозжечке. В свою очередь, в этом отделе мозга фермент локализован в клетках Пуркинье. Найдена корреляция между увеличением содержания G-киназ в цитоплазме клеток Пуркинье, началом роста дендритов и установлением синаптических контактов в клетках Пуркинье и подобных им субкортикальных клетках, что может свидетельствовать в пользу безусловной значимости цГМФ-зависимого фосфорилирования для нейрональной дифференцировки этих клеток. В клетках Пуркинье находится и единственный в мозге млекопитающих специфичный субстрат для протеинкиназы G, названный G-субстратом; G-субстрат – кислоторастворимый и термостабильный белок с Мг = 23 кД. Обнаружено, что фосфорилированный с помощью цГМФ-зависимой протеинкиназы G-субстрат ингибирует протеинфосфатазу, выделенную из мозжечка, являясь специфичным для клеток Пуркинье протеинфосфатазным ингибитором. При этом ингибируемая фосфатаза из этих клеток, вероятно, катализирует дефосфорилирование белков, не являющихся субстратами протеинкиназы А.