Нуклеотиды циклические: функции и связь цАМФ и цГМФ систем
Адреналин и ацетилхолин вызывают противоположные эффекты, например, адреналин увеличивает частоту и силу сокращения сердечной мышцы,а ацетилхолин уменьшает. Образование цАМФ стимулируется адренолином, а образование цГМФ ацетилхолином. Создается впечатление, что цАМФ стимулирует в основном процессы распада ( катаболизма ), а цГМФ процессы синтеза( анаболизма )
Пептидные гормоны: инсулин , кальцитонин , окситоцин , и нейромедиаторы : ацетилхолин , серотонин , а также простагландин F2# повышают уровень цГМФ, цГМФ в свою очередь активирует фосфодиэстеразу, гидролизующую цАМФ .
Серотонин , норадреналин , и адреналин могут оказывать двоякое действие на клетки нервной системы: в зависимости от типа рецептора образуется либо цАМФ, либо цГТФ.
При посредстве чаще встречающихся бета адренергических рецепторов стимулируется синтез цАМФ, а при посредстве реже встречающихся альфа адренергических рецепторов цГМФ. Так под действием одного стимула в разных клетках стимулируются противоположные процессы ( Schultz , Hardman ...).
Pastan et al показали, что цАМФ в высоких концентрациях подавляет пролиферацию клеток , а цГМФ стимулирует. Уровень цАМФ падает в фазе G2 клеточного цикла, а уровень цГМФ возрастает примерно в 5 раз. Lopez , Hadeen установили, что уровень цГМФ в делящихся под действием инсулина клетках возрастает в 30-40 раз.
После митоза клетка либо вступает в фазу Go, и деление останавливается, либо переходит в фазу G1 и начинает новый цикл. У некоторых клеток (эритроциты, мышчные клетки, нейроны) в этот момент необратимо теряется способность к делению, у других (лимфоциты, бласты всех видов)происходит переход в фазу G1 и далее после фаз S и G2 они начинают делиться.
Переход G0-G1 регулируется соотношением цАМФ\цГМФ, причем на это влияют и другие факторы-факторы роста, аминокислоты и др.
Концентрация циклических нуклеотидов в клетке поддерживается путем регуляции соотношения активностей циклаз ( аденилатциклазы и гуанилатциклазы ), и гидролизующих циклические нуклеотиды фосфодиэстераз .
Константы Михаэлиса (Км) фосфодиэстераз для цАМФ и цГМФ составляют 10-6-10-4 #М. Концентрация же в клетке этих субстратов ниже значения Км (10-7-10-6 #М), следовательно, в клетке фосфодиэстеразы функционируют в условиях неполного насыщения субстратом.
Константа Михаэлиса аденилатциклазы для АТФ составляет около 10-4М, а концентрация АТФ в клетке равна (3-5).10-3#М. Гуанилатциклаза также обычно не испытывает дефицита в субстрате. Фосфодиэстеразы, напротив, никогда не находятся в максимально активном состоянии. По мере повышения концентрации цАМФ или цГМФ в клетке ускоряется гидролиз этих нуклеотидов.
При низкой "физиологической" концентрации цАМФ активность фосфодиэстеразы оказывается равной активности неактивированной аденилатциклазы. Показано, что даже в состоянии покоя в клетке идет постоянный синтез и гидролиз цАМФ. Благодаря одинаковым активностям фосфодиэстеразы и аденилатциклазы, содержание цАМФ может долго поддерживаться на одном и том же уровне. При активации аденилатциклазы гормоном скорость синтеза начинает превышать скорость деградации, в результате чего содержание цАМФ повышается. Однако повышение концентрации цАМФ приводит к ускорению гидролиза, так как достигается лучшее насыщение фосфодиэстеразы циклическим нуклеотидом. Поэтому при быстром ускорении синтеза цАМФ происходит медленное (в течении десятков секунд или минут) повышение содержания циклического нуклеотида в клетке. Следует отметить, что сродство к циклическим нуклеотидам к цАМФ- и цГМФ-зависимых протеинкиназ в 100-1000 раз больше, чем у фосфодиэстераз. По мнению Кребса , при ускорении синтеза сначала происходит насыщение циклическими нуклеотидами регуляторных центров протеинкиназ и лишь затем - ускоренный гидролиз нуклеотидов фосфодиэстеразами. Действительно, фосфодиэстеразную реакцию, идущую в пробирке, можно остановить добавлением протеинкиназы, которая связывает циклический нуклеотид и тем самым защищает его от гидролиза. Благодаря сравнительно низкому сродству фосфодиэстераз к субстратам, эти ферменты могут осуществлять контроль за максимальной степенью повышения концентрации циклического нуклеотида в клетке. Даже при необратимой активации аденилциклазы (например холерным токсином), когда синтез цАМФ ускорен в 5-10 раз и протекает с такой скоростью в течении нескольких часов и даже суток, содержание цАМФ в клетке возрастает лишь в несколько раз. Это достигается за счет того, что при определенной концентрации цАМФ скорость гидролиза также ускоряется в 5-10 раз за счет большего насыщения фосфодиэстеразы субстратом.
Через специальные регуляторные механизмы циклические нуклеотиды могут резко повысить активность фосфодиэстераз до уровня, превышающего активность циклаз, и тогда содержание цАМФ и цГМФ в клетке будет снижаться, несмотря на ускоренный синтез. Во мнгих типах клеток можно наблюдать, что длительная стимуляция аденилатциклазы привдит к трехфазному изменению концентрации цАМФ: повышение концентрации сменяется выходом на плато, а затем снижение до исходного уровня ( рис. 71 ). Это связано с тем, что гормон, активирующий аденилатциклазу, опосредованно (через повышение концентрации цАМФ) увеличивает и активность фосфодиэстеразы. При определенной концентрации цАМФ достигается такая активность фосфодиэстеразы, которая равна активности аденилатциклазы, стимулированной гормоном. Это позволяет клетке поддерживать концентрацию цАМФ на новом, повышенном уровне (фаза плато). Во многих тканях цАМФ через реакции фосфорилирования вызывает повышение концентрации Са2+ в цитоплазме. Ионы Са2+ активируют фосфодиэстеразу , в результате чего скорость гидролиза становится большей, чем скорость синтеза, и концентрация цАМФ снижается к исходному уровню. Так гасится регуляторный сигнал гормона, несмотря на то, что гормон присутствует в среде, а синтез цАМФ идет с повышенной скоростью.
Под действием регуляторов соотношение скоростей гидролиза цАМФ и цГМФ может изменяться. Применение таких фармокологических агентов, как теофиллин , кофеин , теобромин , папаверин , НОШПА , трентал и т.п., обычно подавляет гидролиз обоих циклических нуклеотидов. Направленное изменение концентрации одного из циклических нуклеотидов (например путем активации аденилатциклазы ) может повлечь за собой изменение содержания другого циклического нуклеотида. Решающую роль в этом играет взаимосвязь между гидролизом цАМФ и цГМФ, а также ионы Са2+, регулирующие образование и распад циклических нуклеотидов. Поскольку в большинстве случаев цГМФ и цАМФ оказывают противоположное влияние на тот или иной биологический процесс, данное явление может способствовать "гашению" регуляторного сигнала, возвращению биологической системы в состояние "покоя".
