Ферментный каскад: общая характеристика
Для усиления сигнала с рецептором должна связаться молекула фермента либо он сам является ферментом. Рассмотрим схему каскада усиления сигнала при использовании протеинкиназ (Рис. 2). В обычном состоянии рецепторный фермент неактивен. При связывании сигнальной молекулы фермент переходит в активное состояние. Этот акт сам по себе уже представляет собой усиление сигнала, потому что фермент может осуществить превращение многих молекул субстрата. Но усиление может быть значительно большим, если первый фермент в качестве субстрата использует другой фермент. Тогда в клетке появляется вместо одной молекулы первого фермента множество молекул второго. Они способны осуществить гораздо больше превращений субстрата, чем первый. Если субстратом второго фермента в свою очередь является третий фермент, то сигнал усиливается еще сильнее. Примером такого усиления является усиление с помощью протеинкиназ, ферментов, фосфорилирующих белки.
В течение краткого периода своей активности аденилатциклаза производит несколько сотен молекул cAMP . После того, как произведенные молекулы сАМР активируют протеинкиназу А, она фосфорилирует и активирует фермент гликогенфосфорилазу, которая расщепляет гликоген до глюкозо-1-фосфата. Протеинкиназа А фосфорилирует также гликогенсинтазу, что приводит к ингибированию ее активности и, таким образом, предотвращает преобразование освобожденной глюкозы в гликоген ( рис. 2.12 ). Эти два эффекта вместе обеспечивают мобилизацию глюкозы через расщепление гликогена, запасенного в печени. В этом каскаде происходит огромное усиление сигнала. Одна молекула адреналина может вызвать активацию сотен aдьфа-субъединиц G белков. Каждая из них в свою очередь будет активировать аденилатциклазу, которая в свою очередь синтезирует сотни молекул сАМР. сАМР активирует протеинкиназу А, которая модифицирует сотни молекул-мишений в клетке.
Рассмотрим этот каскад на примере активации гормонами гликогенолиза. Одна молекула гормона "включает" в работу одну или несколько молекул аденилатциклазы, в результате чего внутри клетки образуются тысячи молекул цАМФ. На этом этапе сигнал усиливается в 102-103 раз. Образующаяся цАМФ "включает" другой катализатор - протеинкиназу, усиливая при этом сигнал еще в 100 раз. Сигнал усиливается и при включении киназы фосфорилазы и самой фосфорилазы.Суммарное усиление сигнала равно 106-107раз, т. е. по механизму каскадного усиления одна молекула регулятора потенциально способна привести к изменению состояния или структуры миллионов других молекул. Этот механизм регуляции может воздействовать (прямо или опосредованно) на многие метаболические процессы и клеточные функции. Без каскадного усиления сигнала ни гормоны, действующие при концентрации 10-10 - 10-7М, ни Са2+ и циклические нуклеотиды, концентрации которых в цитоплазме не превышают 10-6, не могли бы регулировать активность, такого фермента, как фосфорилаза , поскольку ее концентрация в клетке составляет 10-5M.
В большинстве случаев в ферментном каскаде с участием цАМФ осуществляется двухэтапное усиление - через активацию аденилатциклазы и цАМФ-протеинкиназы ( рис. 79tk ). В случае регуляции гликогенолиза мы наблюдаем дополнительное усиление за счет последовательного подключения еще одной протеинкиназы - киназы-фосфорилазы.
Действие ряда гормонов, простагландинов и нейромедиаторов на синтез цГМФ опосредуется входом Са2+ в клетку (см. рис.74tk ). Следовательно, в отличие от цАМФ, который является вторым посланником регуляторного сигнала (первый - гормон), цГМФ часто выступает в качестве третьего посланника в проведении регуляторного сигнала. Поэтому в цГМФ-зависимом ферментном каскаде может достигаться большая степень усиления.
