Синтез дофамина и норадреналина
Другой механизм, контролирующий синтез веществ в клетке, - это механизм отрицательной обратной связи , согласно которому скорость биосинтеза тормозится при увеличении конечного продукта реакции. Хороший пример этого приводится в работах фон Эйлера, Аксельрода, Уденфренда и их коллег по исследованию синтеза, хранения и высвобождения норадреналина в симпатических нейронах и секреторных клетках надпочечников . Клетки надпочечников сходны с симпатическими нейронами по многим параметрам: у них одинаковое эмбриональное происхождение, они иннервированы холинергическими волокнами, приходящими из центральной нервной системы, и они высвобождают катехоламины в ответ на стимуляцию. (Термин катехоламины используется дыя обозначения группы таких веществ, как ДОФА , дофамин , норадреналин и адреналин , которые содержат катехольное ядро - бензольное кольцо с двумя присоединенными гидроксильными группами - и аминогруппу ). Симпатические нейроны млекопитающих высвобождают норадреналин (те же нейроны у лягушки высвобождают адреналин); клетки надпочечников выделяют и адреналин, и норадреналин.
Норадреналин синтезируется из общего клеточного метаболита тирозина в серии реакций, состоящей из трех шагов: тирозин превращается в ДОФА тирозингидроксилазой , из ДОФА образуется дофамин под действием декарбоксилазы ароматических L-аминокислот , дофамин превращается в норадреналин под действием дофамин-бета-гидроксилазы( рис. 13.6 ). Превращение тирозина в ДОФА и ДОФА в дофамин происходит в цитоплазме. Затем дофамин транспортируется в синаптические пузырьки, где он превращается в норадреналин дофамин-бета-гидроксилазой , связанной с мембраной везикул. Большая часть норадреналина хранится внутри везикул; некоторое количество норадреналина проникает обратно в цитоплазму, где распадается под действием моноаминоксидазы .
Нейроны, которые выделяют дофамин как медиатор, содержат тирозингидроксилазу и декарбоксилазу ароматических L-аминокислот , но в этих нейронах нет дофамин-бета-гидроксилазы . Другие нейроны, так же как и клетки надпочечников, высвобождают адреналин, который образуется из норадреналина под действием фенилэтаноламин-N-мeтилтрансферазы .
Обычно первый фермент такого многоступенчатого процесса является фактором, лимитирующим скорость процесса, и ингибируется конечным продуктом реакции. В экстрактах надпочечников активность тирозингидроксилазы на два порядка ниже, чем активность декарбоксилазы ароматических L-аминокислот и дофамин-бета-гидроксилазы, что дает основание предполагать, что гидроксилирование тирозина является этапом, лимитирующим скорость всего процесса. Более того, было установлено, что тирозингидроксилаза ингибируется норадреналином (а также дофамином и адреналином). Таким образом, по мере накопления дофамина, норадреналина или адреналина дальнейший их синтез будет тормозиться до тех пор, пока не будет достигнуто состояние равновесия, при котором скорость синтеза станет равной скорости распада и высвобождения ( рис. 13.6 ).
Доказательства того, что ингибирование по принципу обратной связи регулирует синтез норадреналина в нейронах, были получены в экспериментах Вейнера с коллегами на терминалях симпатических аксонов, иннервирующих гладкие мышцы сосудистого русла ( vas deferens ). Эти авторы измерили скорость синтеза норадреналина в терминалях, инкубируя препараты с радиоактивно меченым предшественником и наблюдая за накоплением радиоактивного норадреналина. Они обнаружили, что скорость синтеза норадреналина была более чем в три раза выше, если в качестве предшественника для первой ферментативной реакции каскада использовали ДОФА вместо тирозина. Следовательно, превращение тирозина в ДОФА лимитирует скорость биосинтеза.
Для того, чтобы доказать, что лимитирующий скорость этап контролируется по принципу отрицательной обратной связи, Вейнер с коллегами изменяли концентрацию норадреналина (НА) в цитоплазме двумя способами. Во-первых, воспользовавшись тем фактом, что терминали симпатических аксонов имеют специфический механизм транспорта для НА, они добавляли НА в инкубационную жидкость, что вызывало увеличение концентрации НА в терминалях. Это снижало скорость синтеза норадреналина из тирозина. Напротив, стимуляция нерва, которая уменьшала концентрацию НА в цитоплазме, повышала скорость превращения тирозина в НА почти в два раза. Такого увеличения скорости синтеза не наблюдалось, однако, если НА добавляли в инкубационную среду во время стимуляции нерва. По-видимому, захват НА из среды был достаточен для поддержания определенного уровня норадреналина в аксонных терминалях и, таким образом, лимитировал его биосинтез.
На синтез катехоламинов оказывают влияние и дополнительные факторы ( рис. 13.7 ). При высвобождении норадреналина из аксонных терминалей, вызванном стимуляцией нерва, тирозингидроксилаза приобретает большее сродство к кофактору тетрагидробиоптерину и становится менее чувствительной к ингибированию НА. Эти изменения связаны с обратимым фосфорилированием тирозингидроксилазы киназами , которые активируются входящими в клетку ионами кальция . Еще одним фактором, регулирующим активность тирозингидросилазы, является концентрация тетрагидробиоптерина, который синтезируется из гуанозинтрифосфата .
Итак, различные механизмы действуют в клетке для того, чтобы скорость синтеза норадреналина обеспечивала клетку необходимым количеством медиатора.
