Компоненты аденилатциклазной системы
В состав системы входят интегральные и заякоренные мембранные белки, а также цитозольные ферменты.
- Рецепторы ($R_s$ и $R_i$) — трансмембранные белки, пронизывающие мембрану семь раз. На наружной стороне они связывают первичный мессенджер (гормон), а на внутренней — взаимодействуют с G-белками. Могут свободно перемещаться в липидном бислое (латеральная диффузия).
- G-белки — ГТФ-связывающие гетеротримеры. Состоят из трех субъединиц: $\alpha$, $\beta$ и $\gamma$. В неактивном состоянии $\alpha$-субъединица удерживает молекулу ГДФ. Различают стимулирующие ($G_s$) и ингибирующие ($G_i$) белки.
- Аденилатциклаза (АЦ) — мембранный фермент-эффектор, катализирующий образование вторичного посредника.
- Протеинкиназа А (ПКА) — цитозольный фермент, непосредственно реализующий клеточный ответ.
Механизм активации (путь через $G_s$)
Процесс передачи стимулирующего сигнала представляет собой строгую последовательность конформационных изменений:
- Гормон связывается с рецептором $R_s$, меняя его пространственную структуру.
- Обновленный рецептор приобретает высокое сродство к неактивному $G_s$-белку, образуя на мембране тройной комплекс (гормон — рецептор — $G_s$-ГДФ).
- Взаимодействие заставляет $\alpha_s$-субъединицу сбросить молекулу ГДФ и присоединить ГТФ.
- Связывание ГТФ меняет конформацию $\alpha_s$-субъединицы: она отделяется от димера $\beta\gamma$ и отправляется в свободное движение по мембране.
- Достигнув аденилатциклазы, комплекс $\alpha_s$-ГТФ связывается с ее регуляторным центром и включает фермент.
- Аденилатциклаза начинает превращать АТФ во вторичный мессенджер — цАМФ, отщепляя неорганический фосфат. Концентрация цАМФ в клетке резко возрастает.
Активация протеинкиназы А и клеточный ответ
Накопление цАМФ в цитозоле включает следующую ступень каскада. В неактивном состоянии протеинкиназа А представляет собой тетрамер $R_2C_2$, где две регуляторные субъединицы (R) блокируют две каталитические (C).
Молекулы цАМФ связываются с регуляторными субъединицами. Это приводит к потере их сродства к каталитическим частям. Комплекс диссоциирует, и освобожденные C-субъединицы приобретают ферментативную активность.
Активная ПКА фосфорилирует внутриклеточные белки-мишени по остаткам серина и треонина, расходуя АТФ. Присоединение фосфатной группы выступает «переключателем», который повышает или понижает активность конкретных ферментов, тем самым меняя скорость метаболических процессов.
Регуляция экспрессии генов
Гормоны, использующие аденилатциклазный путь (например, глюкагон, паратгормон, вазопрессин), способны влиять не только на активность существующих ферментов, но и на синтез новых.
Свободные каталитические субъединицы ПКА проникают в ядро клетки, где фосфорилируют специальный фактор транскрипции — CREB (cAMP response element-binding protein). Активированный CREB-P приобретает высокое сродство к регуляторному участку ДНК — CRE-элементу.
Связывание с ДНК стимулирует экспрессию структурных генов. В результате образуется мРНК, и на рибосомах начинается трансляция специфических белков. Это могут быть новые ферменты для ускорения реакций или мембранные переносчики для транспорта ионов и воды.
Инактивация системы
Чтобы клетка была готова к восприятию нового сигнала, каскад должен быть выключен. Это происходит в три этапа:
- Инактивация G-белка. Сама $\alpha_s$-субъединица обладает ферментативной (ГТФ-фосфатазной) активностью. Она гидролизует ГТФ до ГДФ, теряет сродство к аденилатциклазе, возвращается к $\beta\gamma$-димеру и выключает синтез цАМФ.
- Разрушение мессенджера. Мембранный фермент фосфодиэстераза расщепляет оставшийся цАМФ до обычного АМФ. Без цАМФ регуляторные субъединицы ПКА вновь связываются с каталитическими, образуя неактивный тетрамер $R_2C_2$.
- Дефосфорилирование белков. Фермент фосфопротеинфосфатаза удаляет фосфатные группы с белков-мишеней, возвращая им исходную структуру и активность.
Примечание: Если на рецептор подействует ингибирующий гормон, запустится схожий процесс через рецептор $R_i$ и $G_i$-белок. Его $\alpha_i$-субъединица свяжется с аденилатциклазой и снизит ее активность, подавляя образование цАМФ.
Вопросы с занятий и экзамена
Чем отличается действие $G_s$-белка от $G_i$-белка?
Стимулирующий $G_s$-белок содержит $\alpha_s$-субъединицу, которая после присоединения ГТФ активирует аденилатциклазу и увеличивает синтез цАМФ. Ингибирующий $G_i$-белок содержит $\alpha_i$-субъединицу, которая, напротив, снижает активность этого фермента.
Как работает протеинкиназа А?
В покое ПКА — это неактивный комплекс из двух регуляторных и двух каталитических субъединиц. Когда цАМФ связывается с регуляторными частями, комплекс распадается. Освободившиеся каталитические субъединицы начинают фосфорилировать белки по остаткам серина и треонина.
Какую роль в системе играет фосфодиэстераза?
Фосфодиэстераза — это фермент, отвечающий за разрушение вторичного мессенджера. Она гидролизует цАМФ до АМФ, тем самым останавливая передачу сигнала и приводя к инактивации протеинкиназы А.
Что ещё разобрать по теме
- Строение и функции рецепторов, сопряженных с G-белками (GPCR)
- ГТФ-фосфатазная активность альфа-субъединиц
- Специфичность белковых мишеней протеинкиназы А
- Механизмы взаимодействия CREB-фактора с ДНК
Разберите тему целиком в курсе «Биохимия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Аденилатциклазная система» и ещё 3 574 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 115 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Строение и функции биологических мембран»
Бесплатные видеоуроки: биохимияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.