Kas ir adenilāta ciklāze?

Membrānas saistītajai adenilāta ciklāzei (adenylyl cyclasum) ir raksturīga divdaļīga uzbūve. Polipeptīda ķēde divas reizes šķērso membrānu ar sešu transmembrānu spirāļu kūlīšiem, un starp šiem kūlīšiem citoplazmā iznirst divi katalītiskie domēni, ko parasti apzīmē ar C1 un C2. Aktīvā vieta nav ne vienā, ne otrā domēnā atsevišķi: tā veidojas robežā, kur abi domēni saskaras, un tieši šajā spraugā ATP molekula tiek saliekta un noslēgta gredzenā.

Katalīzei nepieciešami divi divvērtīgo metālu joni, parasti magnijs. Viens jons palīdz nostiprināt ATP fosfātu ķēdi, otrs aktivē ribozes hidroksilgrupu, kas tad uzbrūk alfa fosfātam. Rezultātā rodas cikliskais 3',5' adenozīnmonofosfāts un atdalās pirofosfāts, kura tālākā sadalīšana reakciju padara praktiski neatgriezenisku.

Šķīstošā forma membrānā nav iestiprināta vispār un pēc uzbūves ir tuvāka baktēriju enzīmiem. Tā atrodas citoplazmā, mitohondrijos un kodolā, un to neregulē G olbaltumi, bet gan bikarbonāta joni un kalcijs. Tas nozīmē, ka šūna ar tās palīdzību spēj sajust savu skābju un bāzu stāvokli un oglekļa dioksīda daudzumu.

• Divi transmembrānu kūlīši, kas enzīmu notur membrānā un nosaka tā atrašanās vietu šūnā.
• Divi citoplazmas katalītiskie domēni, kuru saskares virsma veido aktīvo centru.
• Regulatoru piesaistes vietas Gs, Gi, kalmodulīnam un proteīnkināzei A.
• Atsevišķa kabata, kurai piesaistās augu izcelsmes viela forskolīns, klasisks laboratorijas aktivators.

Ceļš no hormona līdz cAMP ir standartizēts un atkārtojas desmitiem hormonu gadījumā. Receptors ir septiņas reizes membrānu šķērsojošs olbaltums, kas pēc saistīšanās ar hormonu maina formu un kļūst par G olbaltuma aktivatoru. G olbaltums sastāv no trim apakšvienībām, un tā alfa apakšvienība mierā tur pie sevis guanozīndifosfātu.

Šī shēma izskaidro, kāpēc viens un tas pats hormons dažādos audos dod pretējus rezultātus. Adrenalīns caur bēta receptoriem cAMP daudzumu palielina, bet caur alfa2 receptoriem, kas sēž uz inhibējošā G olbaltuma, to samazina. Atbildi nosaka nevis hormons, bet gan tas, kurš receptora veids konkrētajā šūnā dominē.

1. Hormons piesaistās receptoram šūnas virspusē un maina tā telpisko formu.
2. Receptors liek G olbaltuma alfa apakšvienībai nomainīt guanozīndifosfātu pret guanozīntrifosfātu.
3. Alfa apakšvienība atdalās no pārējām divām un pieskaras adenilāta ciklāzes katalītiskajiem domēniem.
4. Enzīms ieņem aktīvo konformāciju un sāk pārvērst ATP par cAMP.
5. cAMP aktivē proteīnkināzi A vai Epac olbaltumus, kas fosforilē vai pārslēdz tālākos mērķus.
6. Alfa apakšvienība pati sadala guanozīntrifosfātu, atgriežas pie partneriem, un fosfodiesterāzes noārda uzkrāto cAMP.

Cilvēkam zināmas deviņas membrānas izoformas, ko apzīmē no AC1 līdz AC9, un viena šķīstošā forma. Tās atšķiras ne tikai pēc atrašanās vietas audos, bet arī pēc tā, uz kuriem papildu signāliem reaģē. Šī daudzveidība ļauj vienam otrajam vēstnesim veikt pilnīgi atšķirīgus uzdevumus sirdī, nierēs un smadzeņu garozā.

Praktiski tas nozīmē, ka zāles, kas ietekmētu visas izoformas vienlaikus, būtu pārāk rupjš instruments. Pētniecības interese tāpēc ir vērsta uz izoformu specifiskiem inhibitoriem, piemēram, sāpju terapijā, kur nozīme ir tieši kalcija regulētajām smadzeņu formām.

Šķīstošā adenilāta ciklāze ir viens no skaidrākajiem piemēriem, kā ķīmiska vide nosaka šūnas uzvedību. Nonākot sievietes dzimumceļos, spermatozoīdu ieskauj ar bikarbonātu bagātāks šķidrums nekā sēklas izvadceļos. Bikarbonāts ieslēdz šķīstošo ciklāzi, cAMP līmenis kāpj, un kustība kļūst spēcīgāka un asimetriskāka. Šis process ir daļa no kapacitācijas, bez kuras apaugļošana nenotiek.

Augļa un bērna attīstībā cAMP ceļš ir nozīmīgs kaulu augšanas plātnēs, vairogdziedzerī un virsnierēs. Ar vecumu mainās ne tik daudz enzīma daudzums, cik audu jutība: sirds muskulī ilgstošas slodzes un mazspējas apstākļos bēta receptoru skaits samazinās un atbilde uz adrenalīnu vājinās. Tieši tāpēc pacientam ar smagu sirds mazspēju adrenerģiskie stimulatori ar laiku dod arvien mazāku efektu.

Klasiskais piemērs ir holēra. Vibrio cholerae toksīns ķīmiski izmaina Gs olbaltumu tā, ka tas vairs nespēj sevi izslēgt. Adenilāta ciklāze zarnu epitēlija šūnās paliek ieslēgta, cAMP līmenis ir nesamērīgi augsts, hlora kanāls CFTR atveras, un nātrijs un ūdens seko hloram zarnu dobumā. Rodas ūdeņaina caureja, kuras galvenais apdraudējums ir strauja dehidratācija.

Ir arī pretējs mehānisms. Garā klepus ierosinātājs un Sibīrijas mēra baktērija ražo savas ciklāzes vai toksīnus, kas traucē normālo regulāciju un apspiež imūnšūnu darbu. Iedzimtās slimībās nozīme ir GNAS gēnam, kas kodē Gs olbaltumu: tā zudums rada hormonu rezistences sindromu ar kaulu un auguma pārmaiņām, bet aktivējošas mutācijas dažos šūnu apgabalos izraisa McCune un Albright sindromu vai hipofīzes audzēju ar pārmērīgu augšanas hormona izdali.

Ar šādiem stāvokļiem strādā endokrinologs, retāk medicīnas ģenētiķis, bet akūtas zarnu infekcijas gadījumā nepieciešama infektologa vai ģimenes ārsta palīdzība. Ja cilvēkam ir bagātīga ūdeņaina caureja ar sausu muti, reiboni un sarukušu urīna daudzumu, ārsts jāuzmeklē nekavējoties, jo šķidruma zudums var apdraudēt dzīvību dažās stundās.

Laboratorijā enzīma aktivitāti nosaka, mērot, cik daudz cAMP izveidojas no iezīmēta ATP membrānu preparātā. Pētniecībā izmanto fluorescences sensorus, kas ļauj redzēt cAMP izmaiņas dzīvā šūnā reālā laikā, un tieši tie parādīja, ka signāls nav izkliedēts pa visu šūnu, bet koncentrējas šaurās zonās.

Klīniskajā praksē pašu enzīmu nemēra. Netieši sistēmas darbību vērtē pēc cAMP daudzuma urīnā pēc parathormona ievadīšanas, kad izmeklē aizdomas par hormonu rezistenci, kā arī pēc hormonu līmeņiem asinīs, ģenētiskiem izmeklējumiem un attēldiagnostikas atradnēm.

• cAMP noteikšana urīnā pēc parathormona slodzes, ja rodas aizdomas par pseidohipoparatireozi.
• GNAS gēna analīze asinīs vai skartajos audos.
• Hormonu paneļi, kas netieši parāda cAMP atkarīgo dziedzeru darbību.
• Pētnieciskās metodes: fluorescences rezonanses enerģijas pārneses sensori un forskolīna slodzes tests šūnu kultūrās.

Pirmā neskaidrība ir nosaukums. Latviešu tekstos sastopami varianti adenilātciklāze, adenililciklāze un adenilciklāze; runa ir par vienu un to pašu enzīmu, un mūsdienu ķīmiski precīzākais apzīmējums ir adenililciklāze.

Otra neskaidrība ir radniecīgais enzīms guanilāta ciklāze, kas ražo nevis cAMP, bet cGMP. Abi ceļi darbojas pēc līdzīga principa, taču to ieslēdzēji atšķiras: cGMP ceļu iedarbina slāpekļa oksīds un natriurētiskie peptīdi, nevis G olbaltumi. Zāles, kas pagarina cGMP dzīvi, lieto erektilās disfunkcijas un plaušu hipertensijas ārstēšanā, savukārt cAMP fosfodiesterāžu nomācēji tiek lietoti sirds mazspējā un elpceļu slimībās.

Trešais sajaukums ir cAMP un ATP. ATP ir šūnas enerģijas valūta, ko patērē tonnām, cAMP ir signālviela, kas rodas no ATP niecīgos daudzumos un pastāv sekundes daļas. Viena molekula ir degviela, otra ir ziņa.

Mācību grāmatas cAMP mēdz zīmēt kā vienmērīgu mākoni, kas piepilda visu šūnu. Patiesībā sirds muskuļa šūnā cAMP, kas rodas pie viena receptoru veida, un cAMP, kas rodas pie cita, dod atšķirīgus rezultātus, lai gan molekula ir identiska. Skaidrojums slēpjas telpā: enkurolbaltumi, ko sauc par AKAP, piesien proteīnkināzi A un fosfodiesterāzi tieši pie konkrētā mērķa, un fosfodiesterāze ap to izveido it kā sienu, kas cAMP tālāk neizlaiž.

No tā izriet praktiska doma. Ja signāls ir sadalīts nodalījumos, tad zālēm nav obligāti jāieslēdz vai jāizslēdz viss ceļš; pietiek iejaukties vienā nodalījumā. Tieši šī ideja stāv aiz mēģinājumiem radīt izoformu un fosfodiesterāžu apakštipu specifiskas zāles, kas sirds mazspējā dotu labumu bez vispārējas adrenerģiskas pārslodzes.