Медицина и здоровье

Механизмы гликогенолиза и липолиза

Гормональная регуляция межуточного обмена и продукции энер­гии является одной из наиболее изученных областей действия пеп­тидных гормонов. Общие аспекты гормональной регуляции гомео­стаза глюкозы выяснены сравнительно полно, но клеточные меха­низмы оказались более сложными, чем считали ранее. В периоды голодания основным источником глюкозы крови служит печень, высвобождающая сахар со скоростью, зависящей от содержания глюкозы в крови и действия катаболических гормонов, таких, как глюкагон и катехоламины. В физиологических условиях главным ингибитором высвобождения глюкозы является инсулин, причем секретируясь после приема пищи, он противодействует эффектам катаболических гормонов. Глюкоза, высвобождаемая печенью при голодании, вначале продуцируется за счет гликогенолиза, но после истощения запасов гликогена в органе — за счет глюконеогенеза из лактата и аминокислот.

Исследования Rail и Sutherland по гликогенолизу в печени собак показали, что цАМФ, образуемый аденилатциклазой в ответ на действие глюкагона и адреналина, вызывает активацию гликогенфосфорилазы [45]. Эта реакция зависит от превращения фосфорилазы киназы из неактивной (дефосфо-) формы в активный фос­форилированный фермент, который затем катализирует превраще­ние гликогенфосфорилазы b в активную фосфорилазу а в ходе последующего этапа фосфорилирования. Активная фосфорилаза разрушает гликоген до глюкозо-1-фосфата, превращающегося в глюкозо-6-фосфат, а затем в свободную глюкозу, высвобождаемую в кровь (рис. 4—13). цАМФ-зависимый фермент, ответственный за активацию фосфорилазы киназы, названный вначале киназой фосфорилазкиназы, оказался широко распространенным в природе-и способным катализировать фосфорилирование многих белковых субстратов, а не только фосфорилазу киназы. Это привело к мысли о том, что все эффекты цАМФ у высших организмов опосредуются реакциями фосфорилирования белков, осуществляемыми цАМФ-зависимой протеинкиназой, выступающей в роли внутриклеточно­го рецептора цАМФ [39].

Общая схема метаболизма гликогена в печени, приведенная на рис. 4—13, начинается с активации протеинкиназы катаболически­ми гормонами, вслед за чем происходит фосфорилирование фосфо­рилазкиназы и гликогенсинтетазы [46]. Фосфорилирование активи­рует киназу и инактивирует синтетазу, вызывая ускорение фосфоролитического расщепления гликогена и снижение его синтеза из. УДФ-глюкозы. Протеинкиназа опосредует влияние цАМФ на рас­пад гликогена и в скелетной мышце, обеспечивая ткань глюкозо-1-фосфатом для гликолиза. В печени, помимо стимуляции распада гликогена до глюкозы и угнетения синтеза гликогена, цАМФ сти­мулирует также глюконеогенез из таких предшественников, как аланин, лактат и пируват.

Рис. 4—13. Регуляция печеночного гликогенолиза гормонами, действующи­ми через цАМФ-зависимую протеинкиназу и кальцийзависимые процессы. Каталитическая субъединица (КС); отделяющаяся под действием цАМФ от голофермента протеинкиназы, фосфорилирует и активирует гликогенфосфорилазу (через фосфорилазу киназы) и обусловливает фосфорилирование и инактивацию гликогенсинтетазы (вероятно, через тот же фермент), что при­водит к распаду гликогена и увеличению продукции глюкозы. Повышение содержания кальция в цитозоле, обусловленное поглощением или мобилизацией кальциевых запасов, действует как фактор, опосредующий влияние a-агонистов (а также вазопрессина и ангиотензина II) на активацию фосфорилазкиназы, путем связывания с кальмодулином — d-субъединицей фосфорилазо-b-киназы. PC — регуляторная субъединица; Ф_н — фосфор неорганический.

Хотя главным регулятором быстрого высвобождения глюкозы из печени считается глюкагон, но катехоламины также, по-види­мому, играют важную роль в этом процессе у некоторых видов животных и человека. Первоначально считали, что действие как глюкагона, так и катехоламинов на активацию фосфорилазы опо­средуется цАМФ; кальцию отводили дополнительную роль в сти­муляции фосфорилазкиназы. Что касается глюкагона, то до сих пор еще полагают, что его влияние на печеночный гликогенолиз (и глюконеогенез) зависит от цАМФ, действующего, вероятно, в кон­центрациях, гораздо более низких, чем те, которые создаются при экспериментальной стимуляции печеночных клеток глюкагоном. Однако в отношении катехоламинов современные данные свиде­тельствуют о том, что в отличие от действия глюкагона стрессор­ные гормоны, такие, как катехоламины, вазопрессин и ангиотен­зин II, стимулируют гликогенолиз и глюконеогенез не через цАМФ, а с помощью других механизмов. Хотя адреналин активи­рует аденилатциклазу через печеночные b-адренергические рецеп­торы, повышая образование цАМФ, в настоящее время считают что влияние катехоламинов на печеночный гликогенолиз опосре­дуется главным образом a-адренергическими рецепторами и не за­висит от цАМФ. Вместо этого a-адренергическая активация фос­форилазы зависит, по-видимому, от ионов кальция [47].

Вазопрессин и ангиотензин II также стимулируют печеночную фосфорилазу с помощью цАМФ-независимого механизма, в кото­ром важную роль играет «кальциевый статус» гепатоцита, опосре­дующий действие всех трех стрессорных гормонов. Считают, что эти пептиды активируют печеночную фосфорилазу путем мобили­зации внутриклеточных запасов кальция (что приводит к повы­шению его концентрации в цитозоле) и далее к стимуляции фосфорилазо-b-киназы [48]. Роль внутриклеточных источников каль­ция, мобилизуемого при действии гормонов, приписывают мито­хондриям, микросомам и плазматической мембране; в последней это является результатом ускоренного кругооборота фосфатидилинозитола. Современные данные свидетельствуют в пользу митохон­дриального кальциевого пула как источника, из которого катехола­мины (а также вазопрессин и ангиотензин II) черпают кальций, поступающий в цитоплазму и внеклеточную жидкость. Это означа­ет, что второй медиатор, образуемый гормонрецепторным взаимо­действием в плазматической мембране, приводит к мобилизации внутриклеточных кальциевых запасов, увеличивая результирую­щий выход кальция из митохондрий [47]. При a-адренергической стимуляции печеночных клеток наблюдали и повышение уровня пГМФ, но это, вероятно, отражает изменения концентрации сво­бодного внутриклеточного кальция и последующую активацию гуанилатциклазы. Функциональное значение эффектов гормонов этой группы на печень может заключаться в их связи с острым стрессом, поскольку они индуцируют печеночный гликогенолиз в таких концентрациях, которые присутствуют в крови лишь при шоке и обезвоживании [49].

Рис. 4—14. Регуляция липолиза цАМФ-зависимой протеинкиназой. Актива­ция гормончувствительной липазы путем фосфорилирования приводит к ускорению распада триглицеридов с образованием глицерина и свободных жирных кислот (по данным Steinberg и соавт. [5] в модификации). КС — каталитическая субъединица; PC — регуляторная субъединица. Ф_н — фос­фор неорганический.

Помимо действия на гликолиз, обеспечивающего присутствие глюкозы как источника энергии, цАМФ играет также важнейшую роль в мобилизации свободных жирных кислот из жировой ткани. Это обусловливается фосфорилированием и активацией гормончув­ствительной липазы, которая регулирует скорость-ограничивающий этап гидролиза эфирных связей в процессе распада триглицеридов (рис. 4—14). Быстро действующие гормоны, в том числе глюкагон, адреналин и АКТГ, повышают активность гормончувствительной липазы путем фосфорилирования, которое определяется цАМФ-за­висимой протеинкиназой. Поскольку жировая ткань содержит также фосфорилазу и гликогенсинтетазу, то присутствие трех фер­ментных систем, контролируемых цАМФ-зависимой протеинкина­зой, повышает необходимость существования «пост-цАМФ овых» механизмов, которые регулировали бы и интегрировали отдельные ферментативные процессы, «запускаемые» протеинкиназой [50].

Насколько общей является роль фосфорилирования в эффектах цАМФ?

Тот факт, что многие гормоны повышают содержание цАМФ в своих клетках-мишенях и что в большинстве клеток млекопитаю­щих присутствуют близкие уровни цАМФ-зависимой протеинкина­зы, привел к представлению о том, что эффекты цАМФ в эукариотических тканях реализуются путем фосфорилирования регуля­торных белков. Этот механизм действия радикально отличается от того, который функционирует у прокариот, у которых цАМФ дей­ствует с помощью стероидоподобного механизма, заключающегося в том, что цАМФ-связывающий белок, регулирует транскрипцию генов после связывания с бактериальной ДНК [54]. Как уже отме­чалось, можно полагать, что бактериальный цАМФ-связывающий белок и регуляторная цАМФ-связывающая субъединица образова­лись в процессе эволюции из примитивной глюкотрансферазной системы. У эукариотических организмов связывание цАМФ с высоким сродством полностью ограничено только регуляторной субъединицей протеинкиназы, которая действует в функциональ­ном соответствии с аденилатциклазой, реализуя эффекты различ­ных гормонов. Поскольку число отдельных цАМФ-зависимых про­теинкиназ ограничено двумя или тремя основными типами, то, как уже отмечалось, функциональное разнообразие гормональных эффектов должно зависеть от специфичности ферментов и присут­ствия специфических субстратов или специфических участков белковых субстратов.

Хотя в некоторых тканях млекопитающих были идентифици­рованы и другие цАМФ-связывающие белки, они не обнаружива­ли свойственных регуляторной субъединице протеинкиназы высо­кого сродства и специфичности связывания. цАМФ в качестве суб­страта связывается и с фосфодиэстеразами, присутствующими в большинстве клеток, но опять-таки эта связь не имеет той высокой специфичности и сродства, которые характерны для связи цАМФ с регуляторной субъединицей протеинкиназы. Таким образом, современная точка зрения, согласно которой цАМФ действует только через протеинкиназу, по всей вероятности, соответствует действительности; это относится и к представлению о том, что в действии цАМФ всегда участвует фосфорилирование. Рассматри­валась и возможность миграции комплекса цАМФ-Р в ядро и дру­гие клеточные участки с развитием в них регуляторных эффектов,, но чаще предполагается транслокация в ядра голофермента или свободной каталитической субъединицы. Некоторые данные о пере­мещении связывающих или ферментных субъединиц между цито­плазмой и фракциями клеточных частиц наверняка могли зави­сеть от условий эксперимента, но другие, по-видимому, отражают истинную транслокацию фосфокиназной активности в ядро. По­скольку большинство эффектов белковых гормонов не зависит от изменения синтеза РНК и белка, вряд ли можно думать, что ядер­ные влияния цАМФ являются компонентом быстрых регулятор­ных действий циклического нуклеотида. Хотя цАМФ-зависимая протеинкиназа может играть роль в фосфорилировании ядерных белков [52] и регуляции транскрипции и синтеза РНК, значение этих эффектов протеинкиназы в качестве механизма, с помощью которого цАМФ мог бы регулировать функцию клеток-мишеней, нуждается в дальнейшей оценке.

<< Prev - Next >>