Ферментный каскад: системы обратных связей
Ферментный каскад усиления имеет системы, гасящие его. Это - фосфодиэстераза, гидролизующая циклические нуклеотиды, и фосфопротеинфосфатаза, дефосфорилирующая фосфобелки. Таким образом ферментный каскад состоит из целого ряда ферментов, каждый из которых находится под метаболическим контролем - испытывает регуляторное воздействие внутриклеточных метаболитов, кофакторов и коферментов. Так осуществляется интеграция внутриклеточных и внеклеточных процессов, коррекция внутренними факторами внешних регуляторных воздействий. Последовательное участие в ферментном каскаде целого ряда ферментов делает регуляцию со стороны метаболитов и кофакторов более тонкой и множественной. Каждый из этапов передачи сигнала в ферментном каскаде находится под контролем специальных защитных механизмов. Длительное действие гормона приводит к десенсибилизации мембранных рецепторов - они либо инактивируются, либо маскируются, в результате чего степень активации аденилатциклазы снижается. Если концентрация цАМФ в клетке длительное время повышена, может проиходить фосфорилирование мембран, что приводит к повышению в цитоплазме концентрации Са2+. В результате этого ускоряется гидролиз цАМФ и образуется цГМФ (см. рис. 74ткач ), часто оказывающий эффекты противоположные эффектам цАМФ. Под действием цАМФ может индуцироваться синтез фосфодиэстеразы и белковых модуляторов протеинкиназ, снижающих сродство к цАМФ у регуляторных и подавляющих фосфотрансферазную активность каталитических субъединиц фермента. Защита от "перевозбуждения" наблюдается даже на уровне субстратов цАМФ-зависимого фосфорилирования. На примере киназы фосфорилазы мы видели, что после быстрого фосфорилирования бета-субъединицы (при этом фосфорилировании фермент активируется) происходит медленное фосфорилирование альфа-субъединицы, что приводит к резкому ускорению дефосфорилирования бета-субъединицы и возвращение фермента в исходное, малоактивное состояние. Точно также и связывание цАМФ с регуляторной субъединицей протеинкиназы сначала способствует диссоциации, но затем ускоряет их рессоциацию - возвращение в каталитически неактивное состояние, так как облегчает дефосфорилирование регуляторной субъединицы фосфопротеинфосфатазой. Столь большое число защитных механизмов, которые мы находим в ферментном каскаде, по-видимому, связано с важной ролью этого регуляторного процесса, а также с тем, что через систему циклических нуклеотидов действуют главным образом те гормоны и гормоноподобные вещества, которые стимулируют катоболизм веществ в клетке. Если бы не срабатывали "механизмы защиты", то стимуляция синтеза цАМФ адреналином могла бы вызвать полное расщепления гликогена скелетных мышц всего за несколько минут. Так же быстро организм лишился бы жировых запасов. Быстрое сжигание энергетических ресурсов сопровождалось бы резким перегревом, многими другими явлениями, приводящим к тяжелым функциональным расстройствам. Фосфорилирование белков, в котором участвуют циклические нуклеотиды, являются не менее важным и не менее распространенным регуляторным процессом, чем такие механизмы регуляции, как изменение проницаемости мембран или индукция-репрессия синтеза белков.
В тоже время, среди способов химической модификации фосфорилирование - лишь один из путей регуляции функциональной активности белка, протекающий наряду с метилированием, аденилированием, АДФ-рибозилированием, ацетилированием и процессингом белков.
Среди реакций фосфорилирования циклические нуклеотиды - весьма важные, но не единственные регуляторы. Ферментный каскад, в котором участвуют циклические нуклеотиды, не уникален и как система усиления регуляторного сигнала. Так, например, активация протромбина протекает через ферментный каскад (система свертывания крови), в котором участвуют не 2-3 усилителя сигнала, а более 5. Соответственно, и степень усиления регуляторного сигнала достигается большая.
Из всех способов химической модификации белков мы подробно рассмотрели только процессы фосфорилирования, в которых участвуют циклические нуклеотиды. Это объясняется не "центральной ролью" этих регуляторов, а уровнем современных знаний о молекулярных механизмах действия разных регуляторов. К сожалению, роль в нейроэндокринной регуляции таких способов модификации белков, как метилирование, аденилирование, ацетилирование и.т.д., пока не достаточно ясна. Многие регуляторные процессы остаются в "тени" не потому, что они менее важны, а потому, что знания об их роли и молекулярных механизмах проявления недостаточно полны.
