Ферментний каскад: загальна характеристика.

Для посилення сигналу з рецептором повинна Зв’язок молекула ферменту або він сам є ферментом.  У звичайному стані рецепторний фермент неактивний. При зв’язуванні сигнальної молекули фермент переходить в активний стан. Цей акт сам по собі вже являє собою посилення сигналу, тому що фермент може здійснити перетворення багатьох молекул субстрату. Але посилення може бути значно більшим, якщо перший фермент в якості субстрату використовує інший фермент. Тоді в клітці з’являється замість однієї молекули першого ферменту безліч молекул другого. Вони здатні здійснити набагато більше перетворень субстрату, ніж перший. Якщо субстратом Другий фермент в свою чергу є третій фермент, то сигнал підсилюється ще сильніше. Ми з вами вже бачили принцип каскаду на прикладі передачі сигналу клітинної смерті в нарисі, присвяченому генної терапії. Там для цієї мети використовувався каскад ICE протеаз. Таке ж посилення може досягатися за допомогою протеїнкінази, ферментів, фосфорилюється білки.

Протягом короткого періоду своєї активності аденілатциклази виробляє кілька сотень молекул cAMP. Після того, як зроблені молекули сАМР активують протеинкиназу А, вона фосфорилирует і активує фермент глікогенфосфорілазу, яка розщеплює глікоген до глюкозо-1-фосфату. Протеїнкіназа А фосфорилирует також глікогенсінтази, що призводить до інгібування її активності і, таким чином, запобігає перетворення звільненій глюкози в глікоген . Ці два ефекти разом забезпечують мобілізацію глюкози через розщеплення глікогену, запасеного в печінці. В цьому каскаді відбувається величезне посилення сигналу. Одна молекула адреналіну може викликати активацію сотень a-субодиниць G білків. Кожна з них у свою чергу буде активувати аденілатциклазу, яка в свою чергу синтезує сотні молекул сАМР. сАМР активація протеїн А, яка модифікує сотні молекул-мішеней у клітці.

Розглянемо цей каскад на прикладі активації гормонами глікогенолізу. Одна молекула гормону “включає” в роботу одну або кілька молекул аденілатциклази, в результаті чого всередині клітини утворюються тисячі молекул цАМФ. На цьому етапі сигнал підсилюється в 102-103 разів. Утвориться цАМФ “включає” інший каталізатор – протеинкиназу, посилюючи при цьому сигнал ще в 100 разів. Сигнал підсилюється і при включенні кінази фосфорилази і самої фосфорілази.Суммарное посилення сигналу одно 106-107раз, тобто за механізмом каскадного посилення одна молекула регулятора потенційно здатна привести до зміни стану або структури мільйонів інших молекул. Цей механізм регуляції може впливати (прямо чи опосередковано) на багато метаболічні процеси і клітинні функції. Без каскадного посилення сигналу ні гормони, що діють при концентрації 10-10 – 10-7М, ні Са2 + і циклічні нуклеотиди, концентрації яких у цитоплазмі не перевищують 10-6, не могли б регулювати активність, такого ферменту, як фосфорілаза, оскільки її концентрація в клітці становить 10-5M.

У більшості випадків у ферментному каскаді за участю цАМФ здійснюється двоетапне посилення – через активацію аденілатциклази і цАМФ-протеїнкінази. У разі регуляції глікогенолізу ми спостерігаємо додаткове посилення за рахунок послідовного підключення ще однієї протеїнкінази – кінази-фосфорилази.

Дія ряду гормонів, простагландинів і нейромедіаторів на синтез цГМФ опосередковується входом Са2 + в клітину (див. ріс.74tk). Отже, на відміну від цАМФ, який є другим посланцем регуляторного сигналу (перший – гормон), цГМФ часто виступає в якості третьої посланника в проведенні регуляторного сигналу. Тому в цГМФ-залежної ферментної каскаді може досягатися велика ступінь посилення.

Ферментний каскад: енергетика

Предача сигналу за допомогою ферментного каскаду супроводжується постійним споживанням енергії на синтез циклічних нуклеотидів і на фосфорилювання білків. Передача сигналу від рецептора на аденілатциклазу відбувається за участю ГТФ, а активація цАМФ – залежної протеїнкінази в ряді випадків протікає шляхом аутофосфорілірованію. Отже, регуляція активності основних “підсилювачів” ферментного каскаду вимагає використання макроергів.

Споживання в каскаді макроергетіческіх з’єднань робить неможливим обіг ланцюга реакцій або “змішування” різних сигналів. Так, наприклад, використання фосфодіестерази макроергетіческого субстрату цАМФ виключає можливість синтезу цАМФ з немакроергетіческого АМФ, а отже, унеможливлює включення ферментного каскаду внутрішньоклітинними процесами, що підвищують концентрацію АМФ.

Ферментний каскад: градієнт концентрацій ферментів

Одна з причин ефективного посилення сигналу в ферментному каскаді полягає в градієнті концентрації ферментів, що входять до нього. Зміст аденілатциклази в тканинах тварин становить, мабуть, близько однієї мільйонної від змісту інших білків. Протеїнкінази, залежні від цАМФ, вдається отримувати в гомогенному вигляді шляхом очищення в кілька тисяч разів. Зміст кінази фосфорілази може становити близько 1%, а фосфорілази-близько 4% від усіх білків цитоплазми. Враховуючи, що цАМФ допомогою протеїнкінази регулює активність багатьох інших ферментів крім фосфорилази (див. рис. 79ткач), відмінність в концентраціях ферментів на початку і наприкінці каскаду виявиться ще більшим.

Додаткове посилення в ферментному каскаді може досягатися за рахунок одночасного, але протилежного за знаком впливу на синтез і деградацію речовини. Так, наприклад, в одній і тій же клітині цАМФ прискорює розщеплення глікогену (активація фосфорілази) і гальмує синтез глікогену (інгібування глікогенсінтази).

Comments are closed.