Ферменты оксида азота (NO) синтаза (NOS1) и протеинкиназа С (ПКС) играют важную роль во множестве процессов передачи сигналов в нейронах головного мозга, а также во многих типах клеток других органов. Вместе с профессором доктором Берндом Факлером из Института физиологии Фрайбургского университета ученые доктор Кристина Константин и доктор Катрин Мюллер впервые показали, что ферменты могут быть активированы в физиологических условиях посредством единственной электрической стимуляции клеточная мембрана. Белковые суперкомплексы, которые быстро преобразуют электрические сигналы на клеточной мембране в химические сигнальные процессы внутри клетки, возникают благодаря прямому структурному взаимодействию обоих ферментов с потенциалзависимыми кальциевыми каналами. Исследователи представили свою работу в текущем выпуске научного журнала Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Группа Fakler ранее показала, что оба кальций-зависимых фермента NOS1 и PKC являются компонентами белкового наноокружения определенных потенциалзависимых кальциевых каналов (Cav2-каналов) в головном мозге. Однако до сих пор не было известно, как эти ферменты взаимодействуют с кальциевыми каналами. Исследовательская группа обнаружила, что оба фермента интегрированы в белковый суперкомплекс с каналами Cav2. В таких комплексах Cav2-NOS1/PKC NOS1 или PKC закрепляются на цитоплазматической стороне клеточной мембраны и располагаются в непосредственной близости от поры канала. При возбуждении клеточной мембраны Cav2-каналы открываются и доставляют ионы кальция в цитоплазму клетки, где они связываются с обоими ферментами. Связывание кальция активирует ферменты, которые впоследствии продуцируют диффундирующие вторичные мессенджеры NO или фосфорилируют цитоплазматические белки-мишени.
Из-за близости между каналом и ферментом для эффективной электрохимической связи требуется электрическая стимуляция продолжительностью менее миллисекунды. Последнее становится максимальным, когда клетка вместо того, чтобы возбуждаться отдельными импульсами, запускает потенциалы действия с частотой один герц и более.
Суперкомплексы Cav2-энзим не только гарантируют сверхбыстрое и надежное электрохимическое соединение. Они также гарантируют, что передача сигнала остается локально ограниченной, то есть в области менее нескольких нанометров вокруг каналов Cav2. Это локальное ограничение гарантирует, что ферменты инициируют только определенные клеточные процессы, в то время как другие пути передачи сигналов кальция, включая гибель клеток, предотвращаются. Кроме того, эксперименты исследователей выявили физиологический механизм активации NOS1 и PKC, что представляет собой альтернативу широко используемым синтетическим активаторам, таким как доноры NO или диацилглицеролы.
Бернд Факлер - директор отдела II Института физиологии и региональный координатор Кластера передового опыта Центра исследований биологических сигналов BIOSS при Фрайбургском университете.