За присутності 10 ммоль/л NaF і 20 мкмоль/л AlCl3 активність ферменту знижувалась від 38,0 ± 4,0 в присутності карбахоліну до 20,0 ± 1,8 пмоль на 1 мг білка за 1 хв.
Зв’язування GTP і його гідроліз відбуваються на Gб–субодиниці, яка володіє ендогенною GTPазною активністю [Bourne et al., 1991]. Ця субодиниця піддається ADP-рибозилюванню. ADP-рибозилювання – інструмент для вивчення функціональної специфіки окремих G-білків. Відомо, що деякі бактеріальні токсини (кашлюковий, холерний, ботулінічний) можуть специфічно каталізувати перенесення ADP–рибози з NAD+ на залишки відповідних амінокислот у молекулах G-білків [Авдонин, Ткачук, 1994]. Відомо, що Gs-білок рибозилюється холерним токсином, а Gі-білок – кашлюковим токсином [ Clapham, Neer, 1993].
Цей методичний підхід ми використали для ідентифікації GTP-зв’язуючих білків у плазматичних мембранах серця.
Доведено, що ADP-рибозилювання сарколеми міокарда кашлюковим токсином призводить до гальмування GTPазної активності з 12,8±2,0 до 2,0±0,4 пмоль 32Р/мг білка за 1хв. При концентрації [χ32P]GTP 100 мкмоль/л константа швидкості GTPазної реакції в контролі дорівнює 0,011 хв-1, а ADP-рибозилювання знижує її до 0,0017 хв-1. За відсутності Mg2+ константа швидкості GTPазної реакції зростає приблизно вдвічі як у контролі, так і в ADP-рибозильованих мембранах. Ці результати певною мірою узгоджуються з даними літератури, отриманими на гладких м’язах . Кm для GTP у GTPазній реакції в нативних мембранах становить 1,5*10-7моль/л, а в ADP-рибозильованих – 2,2*10-6 ммоль/л . Це свідчить про зниження спорідненості модифікованого рибозилюванням G-білка до GTP, GTPазна активність його при цьому теж знижується. Отримані дані свідчать про те, що ADP-рибозилювання по-різному впливає на на зв’язуючу і гідролізуючу ділянки Gб-cубодиниці [Neer, 1995].
Таким чином, на ізольованих препаратах сарколеми міокарда вивчено зв’язування GTP, GTPазну активність мембран, їх чутливість до ADP-рибозилювання, NaF, Mg2+, а також М-холінергічну рецепторну регуляцію зв’язування GTP і GTPазної активності. Результати свідчать про наявність в ізольованих препаратах сарколеми міокарда функціонально активних G-білків, які стабілізуються в присутності Mg2+, чутливі до NaF, можуть ADP-рибозилюватись кашлюковим токсином, що припускає наявність у гетеротримерному комплексі Gбі-субодиниці, функція якої полягає в інгібуванні активності аденілатциклази. Ці препарати можна використовувати як адекватну модель для вивчення властивостей GTP-зв’язуючих білків у системі “рецептор – G-білок – ефекторний фермент – транспорт Са2+” при передачі гормональ- ного сигналу .
Утворення інозит-1,4,5-трифосфату. Коли серця перфузують 32Рі, фосфат використовують у кардіоміоцитах для синтезу [γ-32Р]АТР, а вже γ-фосфат із АТР включають у фосфатидилінозитиди. Після дії карбахоліну на М-рецептори сарколеми активується фосфоліпаза С, яка гідролізує фосфатидилінозит-4,5-дифосфат до інозит-1,4,5-трифосфату та 1,2-діацил- гліцерину [Hokin, 1985]. За присутності АТР відновлюється рівень фосфатидилінозит-4,5-дифосфату за рахунок фосфорилювання фосфати-дилінозит-4-фосфату відповідною кіназою. Рівень фосфатидилінозит-4-фосфату поповнюється в результаті фосфорилювання фосфатидилінозиту за допомогою фосфатидилінозиткінази.
Отримані нами профілі елюції екстрактів [32Р]-інозитфосфатів із сарколеми контрольних та перфузованих карбахоліном сердець показали, що введення карбахоліну збільшує рівень [32Р]інозит-1,4,5-трифосфату в кілька разів (рис.3).
Підвищення рівня інозит-1,4-дифосфату при дії карбахоліну пояснюється тим, що І-1,4,5-Р3 гідролізується до І-1,4-Р2 фосфатазою, яка відщеплює фосфат у п’ятому положенні І-1,4,5-Р3. Висока активність фосфатаз не дає змоги отримати точні кількісні результати стосовно вмісту інозит-1,4,5-трифосфату. За нашими результатами рівень включеного міченого фосфату на І-1,4,5-Р3 у контролі складає 3,6±0,2 нмоль на 1 г тканини, а при дії карбахоліну зростає до 8,7±0,3 нмоль на 1 г тканини. Ймовірно, в цьому випадку інозитфосфат представлений інозит-1,4,5-трифосфатом, оскільки в серці не знайдені ферментні системи, які забезпечували б утворення інозит-1,3,4-трифосфату [Ford et al., 1992]. Інозит-1,4,5-трифосфат швидко перетворюється на інозит-1,4-дифосфат за допомогою відповідної фосфатази, тому багато авторів для характеристики впливу рецепторних агоністів чи антагоністів на обмін фосфатидилінозитидів визначають сумарний рівень усіх інозитфосфатів або тільки рівень інозит-1,4-дифосфату. Ми виявили підвищення рівня [32P]інозит-1,4,5-трифосфату в ізольованому серці кроля через 1 хв від початку перфузії серця карбахоліном. Паралельно також підвищувався рівень [32P]інозит-1,4-дифосфату, що свідчить про можливе дефосфорилювання І-1,4,5-Р3 до І-1,4-Р2. Загалом ці результати вказують на активацію фосфоліпази С карбахоліном.
Рис.3. Профілі елюції 32Р-інозитфосфатів з екстрактів серця кроля, яке перфузували з 32Рі:
1 – контроль; 2 - карбахолін, 10-7 моль/л.
Дослідження включення 32Р у фосфатидилінозитиди сарколеми міокарда при перфузії ізольованих сердець 32Рі показало, що рівень 32Р у фосфа-тидилінозит-4-фосфаті та фосфатидилінозит-4,5-дифосфаті в дослідах з карбахоліном (10-7 моль/л) вищий відносно контролю в 2,6 та 2,3 разу відповідно (рис.4).
Це пояснюється тим, що гідроліз РІ-4,5-Р2, який стимулюється карбахоліном, про що свідчить підвищення рівня І-1,4,5-Р3, супроводжується включенням 32Рі з АТР у фосфатидилінозитид та фосфатидилінозит-4-фосфат за участю відповідних кіназ. У результаті гідролізу фосфатидилінозит-4,5-дифосфату, крім І-1,4,5-Р3, утворюється інший продукт – діацилгліцерин, який є активатором протеїнкінази С.
Активність мембранозв’язаної протеїнкінази С при дії карбахоліну. Дослідження протеїнкінази С і фосфорилювання сарколеми міокарда дуже важливе, оскільки кожен фосфорильований білок виконує відповідну функцію в клітині, а тому необхідно знати, які білки фосфорилюються в тих чи інших умовах. Зараз добре відомо, що фосфорилювання сарколеми міокарда протеїнкіназою С (Са2+-фосфоліпідзалежною протеїнкіназою) відіграє важливу роль у регуляції активності Са2+-транспортуючих систем і відповідно в скоротливості міокарда [Воробец и др., 1988; Курский и др., 1989; Hosey et al., 1995]. Ця протеїнкіназа виявлена як у сарколемі, так і в розчинній фракції клітин. Властивості розчинного ферменту вивчені досить добре, а мембранозв’язаного - меншою мірою. Нами з’ясовано, що за відсутності екзогенного ферменту, в присутності Са2+, препарати сарколеми міокарда досить інтенсивно фосфорилюються (53 пмоль 32Р на І мг білка за І хв) ендогенними протеїнкіназами, ймовірно, Са2+-фосфоліпід- і Са2+-кальмо-дулінзалежними. За відсутності екзогенного ферменту, в присутності Са2+ і активного форболового ефіру (10-8 г/мл), який активує протеїнкіназу С, інтенсивність фосфорилювання сарколеми зростає до 502 пмоль 32Р/мг білка за 1 хв. 4 α-форбол-12,13-дидеканоат, який не є активатором РК-С, не впливає на фосфорилювання. Додавання в інкубаційне середовище інгібітора РК-С поліміксину В разом з активним форболовим ефіром запобігає фосфорилюванню білків сарколеми.
За допомогою електрофорезу фосфорильованих препаратів сарколеми міокарда в DS-Na-полі- акриламідному гелі виявлена наявність щонайменше 40 зафарбованих кумассі зон, електрофоретична актив- ність яких відповідає білкам з Мm , яка варіює від 10 до 300 кДа. При подальшій радіоавтографії цього гелю виявилося, що основна кількість 32Р-фосфату включається в 7 білкових субстратів.
При порівнянні фосфорилювання білків сарколеми в різних умовах – у контролі і під час перфузії серця з карбахоліном -простежується значна активація вклю-чення 32Рі у білки в разі стимуляції М-холінорецепторів карбахоліном. Зокрема, активується фосфорилювання білків з Мm 94, 87, 78, 58, 54, 46, 42, 24, 15, 11кДа (рис.5).
Роль білків сарколеми міокарда, що фосфорилюються, не цілком з'ясована. Припускається, що білки з Мm 42, 24, 11 кДа пов’язані з роботою різних Са2+-транспортуючих систем [Kikkawa, Nishizuka, 1986].
На основі отриманих даних запропонована гіпотетична схема механізму впливу карбахоліну на регуляцію скоротливості серця на перших етапах реалізації гормонального сигналу (рис.6).
Згідно цієї схеми, взаємодія агоніста з М-холінорецепторами, призводить до активації GTP-зв’язуючих білків двох типів: Gi i Gq. Активація Gi-білка інгібує активність аденілатциклази, що супроводжується зменшенням кількості сАМР і зменшенням активності сАМР-залежних протеїнкіназ. Це, в свою чергу, призводить до зниження рівня фосфорилювання таких білків як фосфоламбан, кальційдуктин та інших і пригнічення активності Са2+-транспортуючих
Рис. 6. Механізм дії М-холінергічних агоністів на клітину шляхом активації G-білків
систем сарколеми і саркоплазматичного ретикулуму. В результаті функціо- нування цієї системи скоротливість міокарда повинна знижуватись. З іншого боку, активація Gq-білка стимулює фосфоліпазу С, що призводить до інтенсифікації обміну фосфатидилінозитидів і, в результаті, до збільшення в клітинах кількості інозит-1,4,5-трифосфату та діацилгліцерину. Перший викликає звільнення Са2+ із саркоплазматичного ретикулуму в цитозоль, а другий активує протеїнкіназу С і фосфорилювання відповідних білків, які теж модулюють активність Са2+-транспортуючих систем сарколеми та саркоплазматичного ретикулуму. Клітинна відповідь, у даному випадку скоротливість міокарда, буде визначатись результатом взаємодії двох систем: аденілатциклазної та фосфатидилінозитидної.
Як свідчать наші результати, мускаринова холінергічна регуляція скоротливості серця опосередковується через Gі- і Gq-білки, при цьому задію- ється фосфатидилінозитидна і, ймовірно, аденілатциклазна системи.
ВИСНОВКИ
У дисертації відповідно до поставленої мети та задач дослідження вперше отримано підтвердження наявності в препаратах сарколеми міокарда функціонально активної системи передачі гормонального сигналу в клітину через М-холінорецептори, GTP-зв’язуючі білки, обмін фосфатидилінозитидів, протеїнкіназу С, а також вивчені властивості G-білків і стан фосфатидил- інозитидної системи. Такий ланцюг передачі гормонального сигналу забезпечує М-холінергічну регуляцію скоротливості міокарда, що підтверджується наступним.
- М-холінергічний рецепторний агоніст карбахолін пригнічує скоротливість ізольованого перфузованого серця і це корелює зі зростанням GTPазної активності та активацією обміну фосфатидилінозитидів.
- Карбахолін знижує константу дисоціації високоспоріднених ділянок G-білків сарколеми міокарда з GTP і стимулює активність GTPази, що спричинює активацію G-білків.
- При стимуляції М-холінорецепторів активуються кінази фосфатидил-інозитидів і зростає синтез фосфатидилінозит-4-фосфату та фосфатидил-інозит-4,5-дифосфату – попередників утворення інозит-1,4,5-трифосфату та 1,2-діацилгліцерину.
- Зростає кількість інозит-1,4,5-трифосфату в сарколемі серця при дії карбахоліну, основна функція якого полягає в звільненні Са2+ із саркоплазматичного ретикулуму.
- Карбахолін індукує активність ендогенної протеїнкінази С сарколеми міокарда, яка активується діацилгліцерином, утвореним у результаті гідролізу фосфатидилінозит-4,5-дифосфату.
- Ідентифіковані білкові субстрати сарколеми міокарда з Мm 94, 87, 78, 58, 54, 46, 42, 24, 15 і 11 кДа, фосфорилювання яких індукується карбахоліном.
7. В ізольованих препаратах сарколеми міокарда наявний фізіологічно активний ланцюг передачі гормонального сигналу від рецептора на ефекторну систему, який включає “рецептор – G-білок – обмін фосфати- дилінозитидів – вторинні месенджери – інозит-1,4,5-трифосфат і діацилгліцерин – протеїнкіназа С - фосфорилювання білків”. Препарати сарколеми можуть бути моделлю для вивчення молекулярних механізмів передачі гормонального сигналу.
СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
- Шикула Р.Г., Воробець З.Д., Курський М.Д. Обмін фосфатидилінозитидів при стимуляції М–холінергічних рецепторів в ізольованих перфузованих серцях кролів // Вісн. проблем біології та медицини.-1999.- № 11. – С. 84-88 .
- Шикула Р.Г., Воробець З.Д., Курський М.Д. GTPазна активність та G–білки сарколеми міокарда при дії М–холінергічного рецепторного агоніста карбахоліну // Мед. хімія.- 2000.- Т. 2, № 1. – С. 17-20.
- Воробець З.Д., Шикула Р.Г. М–холінергічна рецепторна стимуляція фосфорилювання білків і пасивного транспорту кальцію в сарколемі ізольованого перфузованого серця // Експерим. та клінічна фізіологія і біохімія. – 2000. – № 3(11). – С.32-36.
- Воробець З.Д. Шикула Р.Г., Курський М.Д. Скоротлива активність серця та потенціалзалежний пасивний транспорт кальцію в сарколемі міокарда при дії похідних фенілалкіламіну та дигідропіридину // Буковин. медичний вісник. – 2000. – T. 4, № 2. – С.161-165.
- Воробець З.Д., Шикула Р.Г., Чупашко О.Я. Вплив М-холінергічного рецепторного агоніста карбахоліна на гідроліз фосфатидилінозитидів в серцях кролів // Експерим. та клінічна фізіологія і біохімія. – 2001. – № 1(13). – С.52-53.
- Шикула Р.Г., Воробець З.Д. Властивості GTP–зв’язуючих білків сарколеми міокарда при М-холінергічній регуляції скоротливості серця // Наук.-техн. бюл. Ін-ту землеробства і біології тварин. – 1999. – №1(3). – С. 80-82.
- Воробец З.Д., Шикула Р.Г., Курский М.Д. М–холинергическая рецепторная регуляция фосфорилирования и пассивного транспорта кальция в сарколемме изолированного перфузированного сердца // Tез. докл. І-го Кавказ. симпоз. по мед.-биол. наукам. - Tбилиси (Грузия). – 1999. – С.76.
- Kalinskі M., Vorоbets Z., Kursky M., Shykula R. Effect of carbocholine on phosphorylation of proteins in the sarcolemma of myocardium of rabbit // Proc. 46th International Conf. “Medicine and science in sports and exercise”. - Washington (USA). – Official Journ.Americ.College Sports Medicine. - 1999. –Vol. 31, № 5. – Р.1522.
- Shykula R., Vorobets Z., Kursky M. GTP-binding proteins in muscarinic acetylcholine receptor regulation of cardiac contractility // Proc. 3rd Parnas Conf. “Mechanisms of cellular signal transduction and communication”. - Lviv (Ukraine). – 2000. – P.108.
- Воробець З.Д., Шикула Р.Г. Гетеротримерні GTP-зв’язуючі білки сарколеми міокарда при дії агоніста М-холінорецепторів карбахоліну // Фізіол. журнал. Матеріали ІІІ Національного Конгресу патофізіологів України.- Одеса (Україна).– 2000. – Т.46, № 2. – С. 5 .
АНОТАЦІЇ
Шикула Р.Г. GTP-зв’язуючі білки та фосфатидилінозитидний цикл при М-холінергічній регуляції скоротливості серця. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата медичних наук за спеціальністю 03.00.04 - біохімія. – Інститут геронтології АМН України. - Київ. – 2001.
Дисертацію присвячено дослідженню властивостей гетеротримерних GTP-зв’язуючих білків та обміну фосфатидилінозитидів при активації М-холінергічних рецепторів серця. Встановлено, що мускариновий холінергічний агоніст карбахолін в умовах перфузії ізольованого серця кроля блокує скоротливу функцію міокарда. Ідентифіковано ділянки G-білків з високою і низькою спорідненістю до зв’язування GTP, визначено їх константи дисоціації для GTP. Продемонстровано активацію карбахоліном зв’язування GTP, стимуляцію ним GTPазної активності сарколеми. Перфузія ізольованого серця карбахоліном індукує фосфатидилінозитидний цикл, що призводить до збільшення утворення вторинного месенджера інозит–1,4,5–трифосфату. Доведено, що в препаратах сарколеми міокарда наявні функціонально активні Gi- та Gq-білки, про що свідчить ADP-рибозилювання в присутності кашлюкового токсину та активація обміну фосфатидилінозитидів при стимуляції М-холінергічних рецепторів.
Ключові слова: міокард, сарколема, G-білки, карбахолін, М-холінорецептори, перфузія, фосфатидилінозитиди.
Шикула Р.Г. GTP–связывающие белки и фосфатидилинозитидный цикл при М–холинергической регуляции сократимости сердца. – Рукопись.
Диссертация на соискание учёной степени кандидата медицинских наук по специальности 03.00.04 – биохимия. – Институт геронтологии АМН Украины. – Киев. – 2001.
Диссертация посвящена изучению свойств гетеротримерных GTP-связывающих белков и обмена фосфатидилинозитидов при активации М-холинергических рецепторов сердца. Эти системы непосредственно участвуют в передаче гормонального сигнала от рецептора на эффектор, который определяет клеточный ответ.
Целью работы было исследование функционального состояния GTP-связывающих белков и фосфатидилинозитидной системы при М-холинергической рецепторной регуляции сократимости изолированных перфузированных сердец кроликов.
Эксперименты проводились на изолированных и перфузированных сердцах кроликов. Сердца перфузировали ретроградно соответственно классическому методу Лангендорфа раствором Кребса–Хензелейта. О изменениях сокращаемости сердца судили по давлению в латексном баллончике, введенном в левый желудочек. В соответственных сериях экспериментов перфузию проводили в присутствии карбахолина, атропина, неорганического меченого фосфата. Препараты сарколеммы выделяли с левого желудочка сердца кролика по методу Джонса с некоторыми модификациями. Определение GTP-связывающих свойств G-белков проводили с помощью исследования связывания [3H]GTP из сарколеммой миокарда. GTPазную активность определяли по гидролизу [γ-32 P] GTP на основе метода Лиебмана. Для исследования действия карбахолина и атропина на GTP-связывающие белки сарколемму обрабатывали аламетицином. ADP-рибозилирование белков сарколеммы проводили, используя [32P]NAD и коклюшный токсин. Белки разделяли электрофоретически в градиенте 8-15% полиакриламидного геля в присутствии DS-Na. После высушивания гели поддавали авторадиографии 16-48 часов. Метаболизм полифосфатидилинозитидов сарколеммы миокарда изучали по кинетике включения 32Р в фосфатидилинозитиды. Для выделения инозитфосфатов в перфузирующий раствор вводили меченный фосфат [32P]Na2HPO4 .Разделение инозитфосфатов осуществлялось на колонке Dawex. Активность протеинкиназы С и фосфорилирования белков сарколеммы определяли по включению 32Р из [γ- 32 P] АТР в белки мембран.
Впервые в комплексе изучено отдельные участки передачи гормонального сигнала при активации мускариновых холинергических рецепторов сарколеммы миокарда. В частности, исследовано влияние карбахолина на сократимость сердца, на свойства G-белков и их GTPазную активность.
Показано, что мускариновый холинергический агонист карбахолин в условиях перфузии изолированного сердца кролика блокирует сократительную функцию миокарда. Эффект карбахолина на частоту сокращений и давление в левом желудочке был дозозависимым. Идентифицировано участки G-белков с высоким и низким сродством к связыванию GTP, определено их константы диссоциации для GTP. Карбахолин активирует связывание GTP, тогда как антагонист мускариновых рецепторов атропин предупреждает активирующий эффект карбахолина на связывание GTP.
Продемонстрировано стимуляцию карбахолином GTPазной активности сарколеммы, а также ингибирующее влияние атропина на активацию GTPазы карбахолином. Активность GTPазы сарколеммы миокарда чувствительна к влияниям NaF, Mg2+, ADP-рибозилирования.
Установлено, что перфузия изолированного сердца карбахолином индуци- рует фосфатидилинозитидный цикл. Включение 32Рі в фосфатидилинозит-4-фосфат и фосфатидилинозит-4,5-дифосфат возрастает по отношению к контро- лю. Это ведёт к увеличению продукции вторичного мессенджера инозит-1,4,5-трифосфата. Основная функция этого вторичного посредника состоит в выходе Са2+ из саркоплазматического ретикулума.
Доказано, что в препаратах сарколеммы миокарда присутствуют функцио- нально активные Gi - и Gq-белки, о чём свидетельствует ADP-рибозилиро- вание в присутствии коклюшного токсина и активация обмена фосфатидил- инозитидов при стимуляции М-холинергических рецепторов.
Показано, что карбахолин индуцирует активность эндогенной протеинкиназы С сарколеммы миокарда, которая активируется диацил- глицерином, образованным в результате гидролиза фосфатидилинозит-4,5-дифосфата.
Идентифицированы белковые субстраты фосфорилирования сарколеммы миокарда. Установлено, что карбахолин стимулирует фосфорилирование белков сарколеммы с молекулярными массами 94, 87, 78, 58, 54, 46, 42, 24, 15 и 11 кДа.
В изолированных препаратах сарколеммы миокарда присутствует физиологически активная цепь передачи гормонального сигнала от рецептора к еффекторной системе: “рецептор – G-белок – обмен фосфатидилинозитидов – вторичные мессенджеры – инозит-1,4,5-трифосфат и диацилглицерин – протеинкиназа С – фосфорилирование белков”.
Таким образом, препараты сарколеммы могут быть моделью для изучения моллекулярных механизмов действия гормонов и физиологически активных веществ, которые имеют рецепторы на плазматической мембране.
Ключевые слова: миокард, сарколемма, G-белки, карбахолин, М-холинорецепторы, перфузия, фосфатидилинозитиды.
Shykula R.G. GTP-binding proteins and phosphatidylinositol cycle in muscarinic acetylcholine regulation of heart contractility. - Manuscript.
Thesis is presented for a scientific degree of the Candidate of Medical Sciences on a speciality 03.00.04 - Biochemistry. - Institute of Gerontology of Academy of Medical Sciences of Ukraine. - Kiev. - 2001.
The thesis is dedicated to the study of properties of heterotrimeric GTP-binding proteins and phosphatidylinositols interchanging in muscarinic acetylcholine receptors regulation of heart contractility. It was shown that the muscarinic cholinergic agonist carbacholine blocks the contractive miocardium function in conditions of perfusion of isolated rabbit heart. G-protein areas with high and low resemblence to binding of GTP were identified and determined their dyssociation constants for GTP. The activation of binding of GTP by carbacholine and the stimulation of GTPases activity of sarcolemma by carbacholine, were demonstrated. The isolated heart perfusion with carbacholine activates phosphatidylinositol cycle that leads to the increase of secondary messenger inositol-1,4,5-trisphosphate production. ADP-ribosylase in the presence of cough toxin and the activation of phosphatidylinositides exchange in stimulation of M-cholinergic receptors proved that functionally active Gi- and Gq-proteins are present in myocardium sarcolemma preparations.
Key words: myocardium, sarcolemma, G-proteins, carbacholine, muscarinic acetylcholine receptors, perfusion, phosphatidylinositols.
|