Циклический АМФ как внутриклеточный посредник.

Введение

Второй клеточный мессенджер

Циклический аденозинмонофосфат (cAMP, циклический AMP или 3',5'-циклический аденозинмонофосфат) — это вторичный мессенджер, или клеточный сигнал внутри клеток, играющий важную роль во многих биологических процессах. cAMP является производным аденозинтрифосфата (АТФ) и используется для внутриклеточной передачи сигнала у множества различных организмов, активируя cAMP-зависимый сигнальный путь.

История

Эрл Сазерленд из Университета Вандербильта получил Нобелевскую премию по физиологии или медицине в 1971 году «за открытия, касающиеся механизмов действия гормонов», в частности, адреналина, посредством вторичных посредников (таких как циклический аденозинмонофосфат, цАМФ).

Синтез

Циклический АМФ синтезируется из АТФ аденилатциклазой, расположенной на внутренней стороне плазматической мембраны и закрепленной в различных местах внутри клетки. Аденилатциклаза активируется рядом сигнальных молекул посредством активации стимулирующих G (Gs) белковых рецепторов, связанных с аденилатциклазой. Аденилатциклаза ингибируется агонистами ингибирующих G (Gi) белковых рецепторов, связанных с аденилатциклазой. Аденилатциклаза печени более сильно реагирует на глюкагон, а аденилатциклаза мышц – на адреналин. Разложение цАМФ до АМФ катализируется ферментом фосфодиэстеразой.

Функции

cAMP — это вторичный посредник, используемый для внутриклеточной передачи сигналов, например, для трансляции в клетки эффектов гормонов, таких как глюкагон и адреналин, которые не могут проникать через плазматическую мембрану. Он также участвует в активации протеинкиназ. Помимо этого, cAMP связывается и регулирует функцию ионных каналов, таких как HCN-каналы, а также нескольких других белков, связывающих циклические нуклеотиды, таких как Epac1 и RAPGEF2.

Роль в эукариотических клетках

cAMP связан с функцией киназ в нескольких биохимических процессах, включая регуляцию метаболизма гликогена, сахаров и липидов. В эукариотах циклический АМФ действует путем активации протеинкиназы А (PKA, или cAMP-зависимой протеинкиназы). PKA обычно неактивна как тетрамерный голофермент, состоящий из двух каталитических и двух регуляторных субъединиц (C2R2), при этом регуляторные субъединицы блокируют каталитические центры каталитических субъединиц. Циклический АМФ связывается с определенными участками на регуляторных субъединицах протеинкиназы и вызывает диссоциацию между регуляторными и каталитическими субъединицами, тем самым позволяя этим каталитическим субъединицам фосфорилировать белки-субстраты. Активные субъединицы катализируют перенос фосфата из АТФ к специфическим сериновым или треониновым остаткам белковых субстратов. Фосфорилированные белки могут непосредственно воздействовать на ионные каналы клетки или становиться активированными или ингибированными ферментами. Протеинкиназа А также может фосфорилировать специфические белки, которые связываются с промоторными областями ДНК, вызывая увеличение транскрипции. Не все протеинкиназы реагируют на cAMP. Несколько классов протеинкиназ, включая протеинкиназу С, не являются cAMP-зависимыми. Дальнейшие эффекты в основном зависят от cAMP-зависимой протеинкиназы, которая варьируется в зависимости от типа клетки. Тем не менее, существуют некоторые незначительные функции, независимые от PKA, например, активация кальциевых каналов, обеспечивающая незначительный путь, посредством которого гормон, высвобождающий гормон роста, вызывает высвобождение гормона роста. Однако представление о том, что большинство эффектов cAMP контролируется PKA, устарело. В 1998 году было обнаружено семейство белков, чувствительных к cAMP, с активностью гуаниннуклеотидного обменного фактора (GEF). Они называются Exchange proteins activated by cAMP (Epac), и семейство включает Epac1 и Epac2. Механизм активации аналогичен таковому для PKA: домен GEF обычно маскируется N-концевой областью, содержащей cAMP-связывающий домен. При связывании cAMP домен диссоциирует и обнажает теперь активный домен GEF, позволяя Epac активировать небольшие Ras-подобные GTPase белки, такие как Rap1.

cAMP is associated with kinases function in several biochemical processes, including the regulation of glycogen, sugar, and lipid metabolism. In eukaryotes, cyclic AMP works by activating protein kinase A (PKA, or cAMP dependent protein kinase). PKA is normally inactive as a tetrameric holoenzyme, consisting of two catalytic and two regulatory units (C2R2), with the regulatory units blocking the catalytic centers of the catalytic units. Cyclic AMP binds to specific locations on the regulatory units of the protein kinase, and causes dissociation between the regulatory and catalytic subunits, thus enabling those catalytic units to phosphorylate substrate proteins. The active subunits catalyze the transfer of phosphate from ATP to specific serine or threonine residues of protein substrates. The phosphorylated proteins may act directly on the cell's ion channels, or may become activated or inhibited enzymes. Protein kinase A can also phosphorylate specific proteins that bind to promoter regions of DNA, causing increases in transcription. Not all protein kinases respond to cAMP. Several classes of protein kinases, including protein kinase C, are not cAMP dependent. Further effects mainly depend on cAMP dependent protein kinase, which vary based on the type of cell. Still, there are some minor PKA independent functions of cAMP, e. g., activation of calcium channels, providing a minor pathway by which growth hormone releasing hormone causes a release of growth hormone. However, the view that the majority of the effects of cAMP are controlled by PKA is an outdated one. In 1998 a family of cAMP sensitive proteins with guanine nucleotide exchange factor (GEF) activity was discovered. These are termed Exchange proteins activated by cAMP (Epac) and the family comprises Epac1 and Epac2. The mechanism of activation is similar to that of PKA: the GEF domain is usually masked by the N terminal region containing the cAMP binding domain. When cAMP binds, the domain dissociates and exposes the now active GEF domain, allowing Epac to activate small Ras like GTPase proteins, such as Rap1.

Дополнительная роль секретируемого cAMP в социальных амебах

У вида Dictyostelium discoideum cAMP функционирует вне клетки как выделяемый сигнал. Хемотактическая агрегация клеток организована периодическими волнами cAMP, распространяющимися между клетками на расстояния до нескольких сантиметров. Эти волны являются результатом регулируемой продукции и секреции внеклеточного cAMP, а также спонтанного биологического осциллятора, запускающего волны в центрах территорий.

Роль в бактериях

Уровень цАМФ у бактерий варьируется в зависимости от используемой для роста среды. В частности, уровень цАМФ низкий, когда глюкоза является источником углерода. Это происходит из-за ингибирования фермента, продуцирующего цАМФ, аденилатциклазы, как побочного эффекта транспорта глюкозы в клетку. Транскрипционный фактор, белок-рецептор цАМФ (CRP), также называемый CAP (белок-активатор генов, использующих катаболиты), образует комплекс с цАМФ и тем самым активируется для связывания с ДНК. Комплекс CRP-цАМФ повышает экспрессию большого числа генов, включая некоторые, кодирующие ферменты, способные обеспечивать энергию независимо от глюкозы. цАМФ, например, участвует в положительной регуляции лактозного оперона. В среде с низкой концентрацией глюкозы цАМФ накапливается и связывается с аллостерическим центром CRP (белка-рецептора цАМФ), являющегося белком-активатором транскрипции. Белок приобретает активную конформацию и связывается со специфическим участком выше лак-промотора, облегчая связывание РНК-полимеразы с соседним промотором для начала транскрипции лактозного оперона, что увеличивает скорость его транскрипции. При высокой концентрации глюкозы концентрация цАМФ снижается, и CRP диссоциирует от лактозного оперона.

Роль в раковых опухолях человека

Некоторые исследования показали, что нарушение регуляции путей цАМФ и аберрантная активация генов, контролируемых цАМФ, связано с ростом определенных видов рака.

Роль в нарушениях префронтальной коры

Недавние исследования показывают, что цАМФ влияет на функции высшего порядка мышления в префронтальной коре головного мозга посредством регуляции ионных каналов, называемых гиперполяризационно-активированными циклическими нуклеотидными каналами (HCN). При стимуляции HCN цАМФ, каналы открываются. Данное исследование, особенно в контексте когнитивных нарушений при возрастных заболеваниях и СДВГ, представляет интерес для исследователей, изучающих мозг. цАМФ участвует в активации тригеминоцервикальной системы, что приводит к нейрогенному воспалению и вызывает мигрень.

Токсины, связанные с ADP-рибозил-трансферазами

Токсин холеры — это AB-токсин, состоящий из пяти B-субъединиц и одной A-субъединицы. Механизм действия токсина заключается в следующем: сначала кольцо из B-субъединиц токсина холеры связывается с ганглиозидами GM1 на поверхности клеток-мишеней. Если в клетке отсутствует GM1, токсин, вероятнее всего, связывается с другими типами гликанов, такими как Lewis Y и Lewis X, присоединенными к белкам, а не к липидам.