Fosfodiesterāze: ferments, kas aptur šūnas signālu

Cikliskā nukleotīda līmenis šūnā katrā brīdī ir līdzsvars starp veidošanos un noārdīšanu. Ja ciklāze darbojas īsu brīdi, bet fosfodiesterāze ir aktīva, signāls ir straujš un īss; ja fosfodiesterāze tiek nomākta, tas pats ciklāzes darbs rada ilgstošu un daudz augstāku cikliskā nukleotīda koncentrāciju.

Cikliskais AMF galvenokārt aktivē proteīnkināzi A, kas fosforilē desmitiem mērķa olbaltumvielu, bet cikliskais GMF aktivē proteīnkināzi G. Gludajā muskulatūrā proteīnkināze G samazina kalcija pieejamību un mazina miozīna vieglās ķēdes fosforilēšanos, tāpēc muskulis atslābst un asinsvads paplašinās. Šis ir tiešs ceļš no fermenta nomākšanas līdz klīniski redzamam efektam.

1. Hormons vai mediators saistās ar receptoru šūnas virsmā.
2. Aktivējas adenilātciklāze vai guanilātciklāze un veidojas cAMF vai cGMF.
3. Cikliskais nukleotīds aktivē attiecīgo proteīnkināzi un maina šūnas darbību.
4. Fosfodiesterāze hidrolizē ciklisko nukleotīdu par lineāru formu.
5. Kināze inaktivējas, fosfatāzes noņem fosfātus, un šūna atgriežas sākotnējā stāvoklī.

Saimes atšķiras pēc tā, kuru ciklisko nukleotīdu tās šķeļ, pēc regulācijas veida un pēc tā, kurās šūnās tās ir izteiktas. Dažas saimes darbojas tikai ar cAMF, dažas tikai ar cGMF, bet vairākas pieņem abus. Zāļu izstrādē tieši audu izplatība ir svarīgāka par pašu ķīmisko reakciju, jo tā nosaka, kur zāles iedarbosies.

Tabulā apkopotas biežāk pieminētās saimes. Jāatceras, ka izplatība nav absolūta: vairums audu satur vairāku saimju fermentus, un norādīts ir tikai raksturīgākais izvietojums.

Fosfodiesterāzes pašas tiek regulētas, un tas padara sistēmu daudz smalkāku. PDE1 aktivē kalcija un kalmodulīna komplekss, tāpēc kalcija pieplūdums šūnā vienlaikus pastiprina arī cikliskā AMF noārdīšanu. PDE2 aktivē cikliskais GMF, bet PDE3 tas, tieši pretēji, nomāc, tāpēc abi otrie vēstneši spēj ietekmēt viens otra dzīves ilgumu.

Vairākas saimes fosforilē pati proteīnkināze A, ko cikliskais AMF ir aktivējis. Iznākumā veidojas negatīvā atgriezeniskā saite: jo stiprāks signāls, jo ātrāk tas tiek nodzēsts. Tieši tāpēc šūnas atbilde uz hormonu bieži ir īslaicīgs uzliesmojums, nevis noturīga plato fāze.

• Kalcija un kalmodulīna atkarīga aktivācija (PDE1).
• Cikliskā GMF izraisīta aktivācija (PDE2) vai nomākums (PDE3).
• Fosforilēšana ar proteīnkināzi A vai B kā atgriezeniskā saite.
• Piesaiste noteiktiem šūnas rajoniem ar enkurolbaltumvielām.
• Gēna ekspresijas maiņa ilgstošas stimulācijas apstākļos.

Fosfodiesterāzes inhibitori ir viena no skaidrākajām saitēm starp bioķīmiju un ikdienas medicīnu. PDE5 inhibitori, kurus Latvijā izraksta erektilās disfunkcijas ārstēšanai, kavē cikliskā GMF noārdīšanu kavernozo ķermeņu gludajā muskulatūrā, kur to rada slāpekļa oksīda ierosinātā guanilātciklāze. Tas pats mehānisms mazākās, bet regulāri lietotās devās palīdz plaušu arteriālās hipertensijas gadījumā, jo paplašina plaušu artērijas.

PDE3 inhibitors milrinons palielina sirds saraušanās spēku un vienlaikus paplašina asinsvadus, tāpēc to lieto smagas akūtas sirds mazspējas gadījumā stacionārā. PDE4 inhibitori mazina iekaisuma šūnu aktivitāti un tiek lietoti smagas hroniskas obstruktīvas plaušu slimības un dažu ādas slimību gadījumā. Kofeīns un teofilīns arī nomāc fosfodiesterāzes, taču vāji un neselektīvi, un to galvenā iedarbība saistās ar adenozīna receptoru bloķēšanu.

Visas šīs zāles ietekmē asinsvadu tonusu, tāpēc tām ir kopīgas blakusparādības: galvassāpes, sejas pietvīkums, aizlikts deguns un asinsspiediena pazemināšanās. Kopā ar nitrātiem PDE5 inhibitorus nelieto, jo abi darbojas vienā ceļā un spiediens var nokrist bīstami zemu. Par lietošanas iespējām lemj ģimenes ārsts, urologs, kardiologs vai pneimonologs atkarībā no indikācijas.

Iedzimti šo gēnu bojājumi ir reti, taču pamācoši. PDE6 gēnu mutācijas skar tīklenes nūjiņas un izraisa daļu no retinitis pigmentosa un iedzimtas nakts aklības gadījumiem: ferments nespēj noārdīt ciklisko GMF, kanāli paliek atvērti, šūna pārpildās ar kalciju un aiziet bojā. Ar šādiem pacientiem strādā oftalmologs un medicīnas ģenētiķis.

Aprakstītas arī sindromālas slimības, kur skarti citi šīs saimes gēni, piemēram, skeleta attīstības un hormonu rezistences traucējumi, kā arī iedzimtas virsnieru garozas izmaiņas. Šādos gadījumos diagnozi nosaka nevis fermenta aktivitātes mērījums, bet gēnu izmeklēšana. Iegūta fermenta darbības maiņa biežāk ir sekas zāļu lietošanai, nevis slimībai.

Visbiežākā sajaukšana ir ar fosfatāzēm. Fosfatāze noņem fosfātu grupu no olbaltumvielas vai citas molekulas, bet fosfodiesterāze pārrauj saiti starp diviem nukleotīdiem vai cikla iekšienē. Abas reakcijas skar fosforu, taču bioloģiskā jēga ir atšķirīga.

Otra sajaukšana ir ar ciklāzēm. Ciklāze signālu rada, fosfodiesterāze to noņem, tātad tie ir pretēji virzīti fermenti vienā ceļā. Trešā ir vārda plašākā nozīme: laboratorijas protokolos par fosfodiesterāzi dažkārt sauc nukleāzes, kas sadala DNS vai RNS, un tam ar šūnas signālu pārvadi nav sakara.

• Fosfatāze noņem fosfātu, fosfodiesterāze šķeļ diestera saiti.
• Ciklāze rada ciklisko nukleotīdu, fosfodiesterāze to iznīcina.
• Nukleāzes ir fosfodiesterāzes plašā nozīmē, bet ne signālu fermenti.
• PDE5 inhibitors nav hormons un neaizstāj testosteronu.

Ikdienas klīniskajā praksē fosfodiesterāzes aktivitāti neviens nemēra, un asins analīzes tādas nav. Pētniecībā aktivitāti nosaka fermentatīvos testos, kur mēra radušos 5'-nukleotīdu daudzumu, vai ar fluorescējošiem sensoriem, kas dzīvā šūnā parāda cikliskā AMF koncentrāciju reālā laikā.

Klīniski daudz biežāk vērtē fermenta bloķēšanas sekas, nevis pašu fermentu: erektilās funkcijas novērtējums urologa pieņemšanā, plaušu artērijas spiediena mērījums ehokardiogrāfijā vai sirds labās puses katetrizācijā, elpošanas funkcijas izmeklējums spirometrijā. Ja pēc potences zāļu lietošanas parādās noturīgi redzes traucējumi vai pēkšņs redzes zudums, tas ir iemesls nekavējoties vērsties pie ārsta.

Ilgi tika pieņemts, ka cikliskais AMF vienmērīgi piepilda visu šūnu. Mūsdienu dati rāda ko citu: cikliskā AMF koncentrācija ir sadalīta sīkos apgabalos jeb mikrodomēnos, un tieši fosfodiesterāzes rada starp tiem robežas. Tās ir piesaistītas noteiktām šūnas struktūrām un veido ap tām zonu, kur cikliskais AMF tiek noārdīts tik ātri, ka signāls tālāk neizplatās.

Tas izskaidro paradoksu, kas citādi paliktu nesaprotams. Sirds šūnā adrenalīns un glikagons abi ceļ ciklisko AMF, bet izraisa atšķirīgas atbildes, jo katrs no tiem to ceļ citā šūnas stūrī. Tas pats izskaidro, kāpēc selektīvs inhibitors spēj mainīt vienu funkciju, neaizskarot pārējās, un kāpēc kardioloģijā PDE3 inhibitoru ilgstoša lietošana izrādījusies nelabvēlīga: pastāvīgi paaugstināts cikliskais AMF sirdī nav tas pats, kas īss fizioloģisks uzliesmojums.