Вторичные мессенджеры. 
Физиология растений в 2 т. Том 1

Наиболее универсальными вторичными мессенджерами являются ионы кальция (Са²⁺), циклическая АМФ (цАМФ), циклическая ГМФ (цГМФ), диацилглицерол (ДАГ), инозитолтрифосфат (ИТФ) (рис. 1.42).

Ионы кальция. В настоящее время ни у кого не вызывает сомнения, что в растительных клетках роль вторичных мессенджеров играют ионы кальция. Большинство Са²⁺ аккумулируется в вакуоли в форме оксалата. Значительная часть его содержится и в клеточных стенках в форме пектатов, карбонатов, сульфатов. Концентрация свободного Са²⁺ в цитозоле в нормальных условиях крайне низка и составляет около 1 • 10~⁷ М, а в митохондриях, эндоплазматическом ретикулуме — не превышает 1 • 10~³ М.

Такая разница в концентрации ионов кальция поддерживается благодаря функционированию расположенной на илазмалемме Са²⁺-АТФазе, которая выбрасывает Са²⁺ из цитозоля в свободное пространство клеточной стенки. Вторая Са²⁺-АТФаза, также снижающая концентрацию Са²⁺ в цитозоле, находится на мембранах эндоплазматического ретикулума и транспортирует кальций из цитозоля в его цистерны. В вакуоль ионы кальция поступают благодаря работе протонных помп тоноиласта, которые обменивают на него протоны (Са²⁺/ГН-антипорт).

В ответ на действие различных раздражителей в плазмалемме и мембранах эндоплазматического ретикулума открываются кальциевые каналы, по которым ионы кальция транспортируются из свободного пространства, цистерн ЭПР и вакуоли в цитозоль, и концентрация Са²⁺ в цитозоле возрастает в течение секунд или минут. Этот всплеск уровня свободного Са²⁺ носит кратковременный характер.

Рис. 1.42. Структура вторичных мессенджеров эукариот:

а — цАМФ; б — цГМФ; в — 1,2-диацилглицерол; г — инозитол-1,4,5-трифосфат; д — ион кальция Недавние исследования показали, что Са²⁺-сигнал, возникший в какой-то части клетки, распространяется как волна по цитозолю. Повторные волны, называемые кальциевыми осцилляциями, могут идти за первичной волной через интервал от нескольких секунд до нескольких минут. Подобные волны были обнаружены в замыкающих клетках устьиц.

Увеличение концентрации Са²⁺ в цитозоле активирует некоторые ферменты, прежде всего протеинкиназы, а также работу сократительных белков, тормозит разборку микротрубочек, что влияет на вязкость и движение цитоплазмы, митотическую и секреторную активность клеток. С помощью ионов кальция регулируются многие процессы: от развития растения до устьичных движений и адаптивных реакций. Передача сигнала с участием Са²⁺ широко распространена в растениях.

Са²⁺ часто передает сигнал не прямо, а связываясь с регуляторным белком кальмодулином, наиболее распространенным Са²⁺-связывающим белком, играющим центральную роль у всех организмов.

Кальмодулин — растворимый, низкомолекулярный белок (17 кДа), имеющий четыре участка, обладающих высоким сродством к Са²⁺. Кальмодулин находится в основном в цитозоле, обнаружен в ядре, митохондриях, хлоропластах, клеточных стенках. Связывание кальмодулина с Са²⁺ изменяет конформацию его молекулы, что придает этому комплексу способность активировать некоторые ферменты: Са²⁺-АТФазы, протеинкиназы, НАД-киназы, НАД-оксидоредуктазы, липазы. Концентрация кальмодулина составляет от 5 до 20 мкм и варьирует в разных клетках. Комплекс Са²⁺-кальмодулин не обладает ферментативными свойствами, но он может связываться с большим числом белков-мишеней (более 100). Са²⁺-сигнализация часто сочетается с гормональной. Полностью заполненный кальцием кальмодулин усиливает выкачивание из клетки кальция. Выкачивание Са²⁺ из цитозоля происходит с помощью Са²⁺-АТФаз, относящихся к АТФазам P-типа, и с помощью Са²⁺/Н-антипорта.

Следовательно, растительные клетки располагают механизмами для поддержания определенного уровня свободных ионов кальция в цитозоле.

Важными элементами регуляции внутриклеточных процессов являются протеинкиназы. Протеинкиназы - ферменты из класса грансфераз, переносящие остаток фосфорной кислоты с АТФ на протеин. Они катализируют реакции:

Фосфат переносится обычно на аминокислотные остатки серина, треонина и реже тирозина. Недавно у растений были найдены протеинкиназы, фосфорилирующие белки по остаткам гистидина и аспаргата. Присоединение фосфата приводит к изменению структуры белковой молекулы и ее активности. Фосфорилируются структурные, транспортные и регуляторные белки. Активированная протеинкиназа переносит фосфатную группу с АТФ на белки, которые активируют другие ферменты. Мишенью для протеинкиназ являются, в частности, транспортные белки мембран (Н⁺-АТФаза плазмалеммы, калиевые и анионные каналы замыкающих клеток устьиц, аквапорины и пр.), ферменты (ФЕП-карбоксилаза, сахарофосфатаза; нитратредуктаза), факторы транскрипции, элонгации, белки цитоскелета и др. Отщепляют фосфат от фосфорилированного белка протеинфосфатазы.

Обнаружено более 40 изоформ протеинкиназ, которые делят на несколько групп:

• 1) протеинкиназы, регулируемые цГМФ;
• 2) протеинкиназы, регулируемые кальмодулином;
• 3) протеинкиназы, регулируемые цАМФ (об их существовании идет спор);
• 4) Са²⁺-зависимые протеинкиназы;
• 5) рецепторподобные протеинкиназы;
• 6) циклинзависимые протеинкиназы (циклины — белки, которые присутствуют во всех эукариотических клетках);
• 7) митогенактивируемые протеинкиназы (МАРК; митоген — общее название для веществ, стимулирующих митоз, а также другие процессы; митогенами могут быть G-белки, фитогормоны).

В растениях функционируют Са²⁺ -зависимые протеинкиназы (КЗПК, англ. CDPK — dependent protein kinases), активно участвующие в передаче сигнала. Причем одна из субъединиц этих ферментов представляет собой кальмодулин, который способен связывать ионы кальция. Большинство ответных реакций, вызываемых Са²⁺, обусловлены активацией этих протеинкиназ. Са²⁺-зависимые протеинкиназы включены в передачу Са-сигнала, связанную с поддержанием мембранного потенциала (см. далее), обусловливают взаимосвязи между различными сигнальными системами.

Одним из субстратов протеинкиназных реакций являются белковые факторы регуляции транскрипции. Фосфорилирование этих факторов регуляции транскрипции вызывает конформационное изменение их глобул, их активацию и последующее взаимодействие с промоторным участком определенного гена, что приводит к изменению его экспрессии (см. параграф 2.6).

При изучении фитогормонов обнаружены протеинкиназы, выполняющие функцию рецепторов. Они расположены в плазмалемме. Взаимодействие с гормоном вызывает их активацию, и они фосфорилируют клеточные белки (см. параграф 7.2). Протеинкиназы активируются кальцием, фосфолипидами (фосфатидилсерин) и диацилглицеролом (ДАГ). ДАГ взаимодействует с протеинкиназой С, повышая ее фосфорилирующую активность. Далее запускается каскад фосфорилирования белков. ДАГ также считается вторичным мессенджером.

Итак, один из основных механизмов передачи сигналов в клетке — фосфорилирование (дефосфорилирование) белков с помощью протеинкиназ и протеинфосфатаз. При фосфорилировании и дефосфорилировании происходят конформационные изменения белков. Сами протеинкиназы также активируются или инактивируются при фосфорилировании. Они контролируют дифференцировку, метаболизм, защиту от патогенов и многие другие процессы в клетке. Некоторые исследователи считают, что от 1 до 3% генов кодируют протеинкиназы.

Циклические мононуклеотиды. Помимо ионов кальция, наиболее универсальными вторичными мессенджерами являются циклические мононуклеотиды. У животных циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) и циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ) играют важную роль в регуляции клеточных процессов (см. рис. 1.42). Циклический гуанозинмоиофосфат образуется из АТФ в результате отделения двух остатков фосфорной кислоты и последующего замыкания оставшейся фосфатной группировки в кольцо. Отсюда и произошло название этого мононуклеотида. Эта реакция катализируется аденилатциклазой, которая расположена на внутренней поверхности плазмалеммы и работает в присутствии фосфолипидов и ионов магния.

Еще Г. Мор (Германия, 1960) с сотрудниками показал, что при освещении красным светом проростков белой горчицы, выращенных в темноте, в два раза увеличивается концентрация цАМФ. Под действием цАМФ изменяется состояние хроматина, матричная активность ДНК, интенсивность образования белков-ферментов. Т. Ленгер (Германия, 1971) выяснил, что цАМФ активирует синтез РНК на ДНК как на матрице. В последние годы накапливается все больше данных в пользу того, что цАМФ и цГМФ регулируют активность некоторых протеинкиназ. Вопрос о биологической роли цЛМФ в растениях продолжают изучать.