Механизмы действия кальция как второго медиатора: кальмодулин

Биологические эффекты кальция реализуются с помощью трех главных механизмов: взаимодействия с сократительными элемен­тами, изменения проницаемости мембран для ионов и регуляции активности ферментов. Влияние кальция на аденнлат- и гуанилатциклазу и фосфодиэстеразу играет существенную роль в регуля­ции динамических уровней циклических нуклеотидов и в сопряже­нии двух внутриклеточных систем медиаторов за счет механизмов обратной связи, интегрирующих биологическую активность этих систем (рис. 4—15).

Основной прогресс в понимании эффектов кальция был связан с открытием кальцийзависимого регуляторного белка, или кальмодулина, и выяснением его структурного и функционального сходства с тропонином С [55]. При мышечном сокращении кальций свя­зывается тропонином и образующийся комплекс одновременно облегчает взаимодействие между актином и миозином и активи­рует миозиновую АТФазу, что необходимо для повторения актино-миозинового взаимодействия. Присутствие актина в несокращаю­щихся клетках указывает на роль сократительных элементов. в клеточной мобильности, движении клеточных органелл, высво­бождении гранул и эндоцитозе. Поскольку содержащие актин мик­рофиламенты часто концентрируются под плазматической мембра­ной и иногда оказываются прикрепленными к мембранным бел­кам, они могли бы служить фактором, опосредующим эффекты кальция на подвижность клеток, текучесть мембраны и перегруп­пировку или интернализацию связанных с мембраной белков и ассоциированных с ними наружных лигандов.

Рис.4—15. Общая связь между главными межклеточными и внутриклеточ­ными регуляторными лигандами и их рецепторными белками, т. е. пептид­ными гормонами, кальцием и циклическими нуклеотидмонофосфатами (цНМФ). В3аимодействие между этими медиаторами затрагивают их мета­болизм и функции, равно как и их комплементарные роли в отношении скорости, расстояния и продолжительности действия (Cheung f55] в моди­фикации).

Хотя было показано, что многие клетки содержат широкую сеть актино- и миозиноподобных нитчатых белков, прикрепленных к внутренней поверхности плазматической мембраны и часто к. мембранам секреторных гранул, присутствие характерного для мышцы тропонинового компонента в несокращающихся клетках было установлено не сразу. Недавнее открытие тропониноподобных кальцийсвязывающих белков в клетках многих типов привело к созданию представления об общем кальцийзависимом регулятор­ном (КЗР) белке, или кальмодулине. В общем, кальмодулин, по-видимому, играет роль, аналогичную тропонину С, опосредуя каль­циевые эффекты в несокращающихся тканях. Присутствующий в; этих тканях кальмодулин иногда связан с сетью микронитей, а в других случаях тесно ассоциирован с кальцийрегулируемыми фер­ментами в виде прочно связанной или входящей в их состав субъ­единицы. Помимо того, что он служит внутриклеточным рецепто­ром кальция, кальмодулин влияет на транспорт кальция и; кальциевую регуляцию уровня циклических нуклеотидов и метабо­лизма гликогена, а также регуляцию таких процессов, как секре­ция и клеточная подвижность. Кальмодулин является также дина­мическим компонентом митотического аппарата, где он может регулировать полимеризацию микротрубочек, активность актомиозина и мембранных кальциевых насосов [56а].

Рис. 4—16. Ферменты и клеточные процессы, регулируемые кальмодулином (Cheung в модификации).

После индентификации кальмодулина в качестве термостабиль­ного регуляторного белка нескольких ферментов головного мозга он был выделен из многих тканей, очищен и охарактеризован как рецепторных белок с молекулярной массой 17 000, обладающий высокой специфичностью и сродством связывания Са²⁺. Каждая молекула кальмодулина содержит 4 кальцийсвязывающих участ­ка, насыщение которых приводит к изменению конформации белка, приобретающего преимущественно a-спиральную конфигурацию, придающую кальмодулину способность регулировать зависимые от пего ферментные системы. Белок состоит из 148 аминокислот с высоким содержанием фенилаланина и кислых остатков и обнару­живает значительную гомологию последовательности с тропонином С из скелетной и сердечной мышцы. Присутствие кальмодулиноподобных белков во многих тканях млекопитающих и беспозво­ночных указывает на вероятность опосредования физиологических эффектов кальция такими рецепторными белками, которые в свою очередь регулируют активность отдельных ферментов.

Значение кальмодулина как медиатора кальциевых эффектов впервые было установлено на ткани головного мозга, где выясни­лось, что активация кальцийзависимой фосфодиэстеразы требует присутствия модуляторного белка. К ферментам, активация кото­рых кальцием, как известно, в настоящее время, зависит от кальмодулина, относятся аденилатциклаза и фосфодиэстераза головно­го мозга, Ca/Mg-АТФаза мембраны эритроцитов, фосфорилазкиназа и киназа легкой цепи миозина (рис. 4—16). Как активация фермента модуляторным белком, так и связывание модулятора с ферментом зависят от присутствия кальция. При повышении кон­центрации кальция модуляторный белок связывает его и подвер­гается конформационному изменению, переходя в активное состоя­ние, в котором он и связывается с ферментом, повышая его ката­литическую активность. Не исключено, что при взаимодействии кальмодулина с разными регулируемыми системами степень насы­щения 4 кальцийсвязывающих участков неодинакова; это может помочь объяснить расхождение его биологических эффектов. Роль кальмодулина в фосфорилировании киназы легких цепей миозина может быть связана с регуляцией сокращения гладких мышц (рис. 4—17). Насыщение b-рецепторов адреналином и стимуляция образования цАМФ приводит к активации протеинкиназы и фос­форилированию миозинкиназы, что ослабляет связывание кальмо­дулина. При низком уровне кальмодулина миозинкиназа менее ак­тивна и может преобладать активность фосфатазы, что обусловит сохранение меньшего числа молекул миозина в фосфорилирован­ном состоянии. Вследствие этого не возникает взаимодействия между актином и миозином, и гладкая мышца расслабляется.

Рис. 4—17. Схема механизма регуляции сокращения гладкой мышцы под влиянием кальция и цАМФ. Доступность Са²⁺-кальмодулина определяет баланс между фосфорилированной (неактивной) и дефосфорилированной (потенциально активной) миозинкиназой. Фосфорилированная киназа свя­зывает кальмодулин с более низким сродством, чем нефосфорилированный фермент. В связи с этим при одной и той же концентрации кальмодулина фосфорилированная киназа неактивна, а нефосфорилированная киназа на­ходится в активной форме (Conti, Adelstein [56] в модификации).

Позднее в головном мозге был идентифицирован белок, связы­вающий кальмодулин и ингибирующий фосфодиэстеразу. Этот так называемый модуляторный связывающий белок может представ­лять собой еще один регуляторный фактор в системе гомеостаза кальция либо являться другим кальмодулинрегулируемым фермен­том или, возможно, общей связывающей субъединицей кальмодулинрегулируемых ферментов. Относительно малое количество это­го белка, присутствующего в мозге, указывает на большую вероят­ность его функционирования в качестве фермента или субъеди­ницы.