Sekundaarne virgatsaine

Sekundaarne virgatsaine (ehk teisene virgatsaine; ingl k second messenger) on üsna väikese molekulmassiga (tüüpiliselt alla 1500 Da) bioloogiliselt aktiivne molekul, mida toodetakse rakkude sees vastusena plasmamembraanil paiknevate retseptorite kaudu saabunud impulsile. 

Mõiste „sekundaarne“ tuleneb sellest, et primaarseks ehk esmaseks virgatsaineks on retseptorit aktiveeriv molekul (nt hormoon, kasvufaktor) või muu impulss (näiteks valguskvant). Sekundaarsed virgatsained võimaldavad korraldada rakusisest ja mõnel juhul ka rakkudevahelist signaaliülekannet, osaledes näiteks ensüümide ja ioonkanalite aktiveerimises. Sekundaarsete virgatsainete tootmine rakus võimaldab sissetulevat signaali võimendada: ühe retseptorimolekuli aktivatsiooniga kaasneb enamasti mitme virgatsainemolekuli tootmine.

Sekundaarsete virgatsainete uurimine võimaldab saada infot mehhanismide kohta, mis määravad, kuidas ja kui kiiresti rakk reageerib erinevatele impulssidele ning kui kiiresti taastub pärast impulsile reageerimist esialgne olukord. Häired, mis on seotud sekundaarseid virgatsaineid tootvate, lagundavate või siduvate ensüümidega (efektoritega), põhjustavad mitmeid patoloogilisi seisundeid või aitavad kaasa haiguste arengule.

 Sekundaarsete virgatsainete levinumad tüübid 
Sekundaarsete virgatsainete struktuurne mitmekesisus võimaldab nendel kas kiiresti levida (difundeeruda) raku tsütoplasmas või kinnituda teatud organellidele (nt raku plasmamembraan), tekitades lokaalset signaaliülekande-võrgustikku. Keemilise struktuuri poolest saab sekundaarseid virgatsaineid liigitada mitmesse klassi:

 Väikesed polaarsed molekulid (nt tsüklilised nukleotiidid või inositooltrifosfaat), mis teostavad oma ülesandeid raku tsütoplasmas ega pääse rakust välja;
 Väikesed mittepolaarsed molekulid (näiteks lämmastikmonooksiid NO), mis võivad suhteliselt vabalt difundeeruda nii raku sees kui ka naaberrekkude vahel;
 Keskmise molekulmassiga hüdrofoobsed või osaliselt hüdrofoobsed molekulid (nt diatsüülglütserool või fosfatidüülinositooli eri vormid), mis ankurduvad raku plasmamembraani rakusisesele küljele või organellide membraanile.

Enamiku sekundaarsete virgatsainete tootmise, muundamise ja lagundamise eest vastutavad rakus spetsiaalsed ensüümid. Erandiks on kaltsiumiioon Ca2+, mille aktiivsuse reguleerimine ajas ja ruumis teostatakse „hoidlatest“ vabastamise ja „hoidlatesse“ lõksustamise tsüklite kaudu – hoidlateks on seejuures nii rakusisesed reservuaarid (endoplasmaatiline retiikulum) kui ka rakuväline keskkond.
pisi|405x405px|Näiteid sekundaarsetest virgatsainetest. cAMP ja cGMP on tsüklilised nukleotiidid. Fosfatidüülinositooli PIP2 lagundamisel tekivad IP3 ja DAG|vasakul

 Tuntuimad sekundaarsed virgatsained: tootmine, lagundamine ja efektorid 

 3',5'-tsükliline adenosiinmonofosfaat (cAMP) 
Tsüklilise adenosiinmonofosfaadi teket adenosiintrifosfaadist ehk ATP-st katalüüsib ensüümide perekond adenülaaditsüklaasid. Inimorganismis on adenülaadi tsüklaase kokku 10 alatüüpi, millest 9 on seotud membraaniga (molekulmassi üle 110 kDa) ning 1 paikneb tsütosoolis (molekulmass ligi 50 kDa). Eri koed ekspresseerivad erinevaid adenülaadi tsüklaasi alatüüpe.

cAMP tootmine käivitatakse enamasti vastusena rakuvälisele sündmusele, milleks on agonisti seondumine teatud tüüpi retseptoritele (Gαs valguga seotud retseptorid, nt D1-tüüpi dopamiini retseptor). Retseptori aktiveerumisel muutub selle ruumiline kuju ning raku sees toimub retseptoriga seotud kolmest alaühikust koosneva G-valgu dissotsiatsioon, mille käigus vabaneb alaühik Gαs. Gαs seostub seejärel membraanse adenülaaditsüklaasiga ja aktiveerib selle. Vastupidi Gαs rollile põhjustab teine G-valgu α-alaühiku tüüp Gαi (sellega on seotud näiteks serotoniini retseptor 1 ehk 5HT-1) hoopis membraansete adenülaaditsüklaaside inhibeerimist ehk katalüütilise aktiivsuse vähenemist. In vitro katsetes kasutatakse cAMP tootmise stimuleerimiseks sageli forskoliini: see on taimse päritoluga aine, mis läbib rakkude plasmamembraani ning aktiveerib membraanseid adenülaaditsüklaase ilma Gαs vahenduseta.
pisi|298x298px|cAMP tootmise aktiveerimine G-valguga seotud retseptorite ja membraanse adenülaaditsüklaasi kaudu. On näidatud ka cAMP efektori PKA roll glükogeeni varude lagundamises
Tsütosoolis paiknevat adenülaaditsüklaasi aktiveerib aga hoopis vesinikkarbonaatioon HCO3-. See mehhanism on oluline näiteks ajurakkude ellujäämiseks häiritud verevarustuse korral (nt insuldi tulemusena), sest cAMP efektorid on muuhulgas seotud varuaine glükogeeni lagundamisega astrotsüütides. Kui süsihappegaasi sisaldus rakke ümbritsevas keskkonnas hakkab suurenema, siis tekib ka rohkem HCO3- ning sel viisil saavad rakud mõnda aega toota energiat tänu glükogeeni lagundamisest saadud glükoosile.

Kaks tuntuimat cAMP efektorit on cAMP-sõltuv proteiinkinaas ehk proteiinkinaas A (PKA) ning cAMP-reguleeritav guaniini nukleotiidide vahetusfaktor ehk Epac. PKA on inimorganismis väga levinud ning käivitab cAMP-vahendatud aktiveerumise järel rakus mitmeid protsesse, muuhulgas ka geenide avaldumist. Olenevalt konkreetsest elundist, koest ja rakutüübist võib cAMP-PKA signaalirada olla seotud näiteks pikaaegse mälu tekkimisega (neuronite tasemel) või hoopis suguhormoonide tootmisega (munasarjade või munandite tasemel). Epac täpsed töömehhanismid ei ole hästi uuritud, kuid on näidatud Epac olulisust nt neuronite diferentseerumise ja ergastatavuse tagamiseks.
vasakul|pisi|262x262px|Aktsioonipotentsiaali teke: (1) puhkepotentsiaal, (2) impulsi saabumine, (3) depolariseerumine (avanevad Na+-kanalid, Na+ pääseb rakku), (4) repolariseerumine (avanevad K+-kanalid, K+ pääseb rakust välja), (5) membraan on hüperpolariseerunud, avanevad HCN kanalid ja algne olukord taastub (6)
pisi|299x299px|AKAP ankurdab adenülaaditsüklaadi läheduses (ei ole joonisel näidatud) PKA regulatiivseid alaühikuid, mis on vaikimisi seotud katalüütiliste alaühikutega, pidurdades ensüümi katalüütilist aktiivsust. cAMP seostumise järel regulatiivsetele alaühikutele vabanevad kinaasi aktiivsed katalüütilised alaühikud. Signaali "mahavõtmiseks" ankurdab AKAP ka fosfodiesteraase (ei ole joonisel näidatud), mis lagundavad cAMP
Närvisüsteemi ja südame töö kontekstis on cAMP efektoriteks ka hüperpolarisatsiooni kaudu aktiveeritavad ja tsükliliste nukleotiidide abil avatavad ioonkanalid (ingl k hyperpolarization-activated and cyclic nucleotide-gated ion channels, HCN). HCN on olulised „ergastuvate“ rakkude töörütmi tagamiseks: puhkeolekus püstitub närviraku või südameraku plasmamembraani eri pooltele teatud elektrokeemiline tasakaal, milles osalevad põhiliselt Na+ ja K+ ioonid (harvem ka Ca2+ ja Cl- ioonid) ning mida nimetatakse puhkepotentsiaaliks. Oluline on, et eespool mainitud ioonide sisaldused on raku sees ja rakuväliskeskkonnas vaikimisi erinevad. Kui rakuni jõuab impulss, siis info signaali saabumise kohta levib nn aktsioonipotentsiaalina: ioonkanalite järjest avanemise ja sulgumise tagajärjel muutub ioonide sisaldus rakus ja väljaspool seda. Rakk kõigepealt depolariseerub (potentsiaal muutub järsult negatiivsest positiivseks), seejärel repolariseerub (aga esialgu veidi „liigselt“, st allapoole algset puhkepotentsiaali). HCN kanalid vastutavad just viimase sammu eest: need tunnetavad rakumembraani üle- ehk hüperpolariseerumist ning tagavad seejärel mõõdukat depolariseerumist kuni puhkepotentsiaali taastumiseni; rakusisese cAMP kontsentratsiooni tõus aitab sellele protsessile kaasa.

cAMP efektoritena võib vaadelda ka tsüklilisi nukleotiide lagundavaid ensüüme fosfodiesteraase (PDE). PDE katalüüsitud hüdrolüüsireaktsiooni tulemusena tekib adenosiinmonofostaat (AMP). Teadusuuringud on näidanud, et membraansed adenülaaditsüklaasid, PKA ja PDE moodustavad rakus sageli lokaalseid signaalisõlmi, mille keskmes on nn A-kinaasi ankurdavad valgud (ingl k A-kinase anchoring protein, AKAP). Sellised sõlmed võimaldavad cAMP-vahendatud signaaliülekande tempokat käivitumist, aga tagavad ka süsteemi kiiret tagasipöördumist puhkeseisundisse.

 3',5'-tsükliline guanosiinmonofosfaat (cGMP) 
cGMP tootmine ja signaalirajad omavad teatud sarnasusi cAMP omadega, mistõttu räägitakse mõnikord üldistavalt tsüklilistest nukleotiididest sekundaarsete virgatsainetena. Siiski esinevad cAMP ja cGMP radades ka mõningad iseloomulikud erinevused.
pisi|184x184px|Sildenafiil ehk Viagra (struktuur näidatud joonisel) on PDE5 inhibiitor ja selle ravimi potentsi suurendav toime põhineb rakusisese cGMP kontsentratsiooni suurendamisel. cGMP-PKG raja aktiveerumisel toimuv veresoonte laienemine viib erektsioonini
cGMP teket GTP-st katalüüsib ensüümide perekond guanülaaditsüklaasid; inimorganismis on 6 membraanset ja 4 tsütosoolis paiknevad guanlülaaditsüklaasi. Membraansed guanülaasitsüklaasid koosnevad kolmest domeenist (rakuväline, rakumembraani läbiv ja rakusisene) ning aktiveeritakse rakuvälise sündmuse tulemusena – näiteks atriaalse natriureetilise peptiidi (ehk ANP) seostumisel. ANP nimi tuleneb selle rollist Na+ ja vee eritumise soodustamisel neerudes, millele lisandub ka vererõhku langetav efekt südameveresoonkonnas – kõik need toimed on samuti seotud cGMP raja aktiveerumisega. ANP seostumisel dimeersele membraansele guanülaaditsüklaasile toimub viimases kahe molekuli rakusiseste domeenide „ümberorienteerumine“, mille tulemusena moodustub katalüütiliselt aktiivne tervik. Tsütosoolseid guanlülaaditsüklaase aktiveerib seevastu lämmastikmonooksiid NO (vt järgmine alapealkiri).
vasakul|pisi|404x404px|Nägemismeele tagamine võrkkesta valgusretseptorite rakkudes molekulaarsel tasandil. Pimeduses on CNG kanalid avatud (Open), valguse käes toimub nende sulgumine (Closed)
cGMP-l on mitu tuntud efektorit: cGMP-sõltuv proteiinkinaas ehk proteiinkinaas G (PKG), tsükliliste nukleotiidide abil avatavad ioonkanalid (CNG) ja fosfodiesteraasid (PDE). Viimased vastutavad ühtlasi cGMP lagundamise eest guanosiinmonofosfaadiks. PKG vahendab aga lihaste lõdvestumise ja veresoonte laienemisega seotud cGMP funktsioone: ühelt poolt viib PKG aktiivsus rakusisese Ca2+ kontsentratsiooni vähenemiseni ja teisalt konkureerib PKG vahendatud fosforüülimine veel ühe proteiinkinaasi, ROCK aktiivsusega (kõrge rakusisene Ca2+ kontsentratsioon ja ROCK aktiivsus vastutavad muidu lihaste kokkutõmbumise ja veresoonte ahenemise eest).

cGMP signaalivõrgustikku kuuluvate CNG ja PDE koostöö tagab meie nägemismeele toimivuse. Pimedas hoitakse valgusretseptorite (ehk fotoretseptorite) rakkudes cGMP taset kõrgena, mistõttu CNG-kanalid on avatud ning Na+ sissevool rakku tingib rakumembraani depolariseetitust (vt eelmine alapealkiri). Depolariseeritud tingimustes püsivad avatuna ka Ca2+ kanalid ning Ca2+ sissevool rakku viib glutamaadi vabanemiseni sünaptilisse pilusse. Kuigi glutamaat on närvisüsteemi signaaliülekandes üldiselt aktiveeriva toimega, võib nägemismeele kontekstis pidada seda inhibeerivaks. Valguskvandi langemisel fotoretseptorile toimub aga retseptoriga seotud G-valgu aktiveerumine, kusjuures G-valgu vabanenud α-alaühik aktiveerib seejärel võrkkestale iseloomulikku fosfodiesteraasi PDE6. PDE6 aktiivsus viib cGMP taseme langemiseni, mis omakorda tingib glutamaadi vabanemise pidurdumist ja võrkkesta närvirakkude ergastumist.

 Lämmastikmonooksiid (NO) 
pisi|432x432px|NO süntees arginiinist. Reaktsiooni ensümaatiliseks katalüsaatoriks on NOS; L-Citrulline = L-tsitrulliin
NO sünteesi eest rakkudes vastutab ensüümide NO-süntaaside (NOS) perekond. Selle liikmeteks on neuronaalne NOS ehk nNOS (ekspresseerub põhiliselt närvirakkudes), endoteliaalne NOS ehk eNOS (ekspresseerub põhiliselt endoteelis, mis „vooderdab“ veresoonte seinu) ja indutseeritav NOS ehk iNOS (selle ekspressioon paljudes rakkudes käivitub nt vastusena tsütokiinidele ja see on oluline kaasasündinud immuunsuse komponent). NO sünteesireaktsiooni lähteaineteks on L-arginiin, molekulaarne hapnik ja redutseeriv kofaktor NADPH (nikotiinamiid-adeniin-dinukleotiidfosfaadi redutseerunud vorm). Lisaks vajavad NO-süntaasid aktiveerumiseks ka valku kalmoduliini, mis omakorda muutub aktiivseks Ca2+ juuresolekul; sel viisil on organismis seotud NO ja Ca2+ signaalirajad, kuigi nende efektorid on sageli ruumiliselt lahutatud.
pisi|189x189px|Nitroglütseriin (struktuur toodud joonisel) on stenokardia leevendamiseks kasutatav ravim, mille toime põhineb NO tekkel organismis
NO signaalirajad on enim uuritud veresoonte ja silelihaskoe kontekstis. Vastusena vere suurenenud survele veresoone endoteelile või vastusena teatud virgatsainete (nt atsetüülkoliini või adrenaliini) lokaalse kontsentratsiooni ajutisele kasvule toimub endoteeli rakkude tsütosoolis Ca2+ kontsentratsiooni tõus. See aktiveerib omakorda NO-süntaasi, mis toodab NO-d. NO on väike mittepolaarne molekul, mis passiivselt difundeerub endoteeliga vahetus kontaktis olevatesse silelihaskoe rakkudesse. Seal seostub NO tsütosoolse ehk lahustuva gianülaaditsüklaasi heemiga, käivitades ensüümis konformatsioonilist ümberkorraldumist ja võimaldades cGMP tootmist. cGMP käivitatud signaalirada viib seejärel veresoonte laienemise ja lihaste lõtvumiseni (vt eelmine alapealkiri). Kuna cGMP käivitatud radade füsioloogiline tulem vastandub Ca2+-vahendatud radade omale, siis ongi oluline, et NO tootmisega seotud ensüümid ja NO efektorid asuksid eri rakkudes. NO signaaliraja aktiveerimisega on seostatud ka östrogeenide kaitsvat toimet südame- ja veresoonkonnale: näiteks on näidatud, et östradiooli toimel suureneb eNOS ekspressioon.

NO toime on kiireloomuline, kuna NO poolestusaeg organismis on enamasti suhteliselt lühike (sekundite skaalal või alla selle, olenevalt hapniku kontsentratsioonist vahetus ümbruses). Kuigi NO lagundamise viis oleneb konkreetse koe kontekstist, toimub selle käigus enamasti NO oksüdeerimine, mille tulemusena tekivad nitritid (NO2-, lämmastiku oksüdatsiooniaste III) või nitraadid (NO3-, lämmastiku oksüdatsiooniaste V). Harvem toimub NO redutseerimine lämmastikuni (N2, lämmastiku oksüdatsiooniaste 0) või ammooniumioonini (NH4+, lämmastiku oksüdatsiooniaste -III).

 Fosfatidüülinositool (PI) ja selle lagundamisel/fosforüülimisel moodustuvad sekundaarsed virgatsained 
vasakul|pisi|Näide fosfatidüülinositool-3,4,5-trisfosfaadi struktuurist. Glütserooli ja inositooli süsinikud on nummerdatud (inositooli puhul on numbrite taha selguse mõttes lisatud '). Glütserooli 2. hüdroksüülrühmaga moodustab antud aines estrit arahhidoonhappe jääk
PI on fosfolipiid ehk glütserooli derivaat, milles kaks hüdroksüülrühma on asendatud pika hüdrofoobse rasvhappejäägiga ja üks hüdroksüülrühm üle fosfaatsilla väikese hüdrofiilse monosahhariidi inositooli jäägiga. Inositoolijäägi asendites 3, 4 ja 5 paiknevad hüdroksüülrühmad võivad olla samuti asendatud fosfaatidega – sel juhul räägitakse fosfatidüülinositool-X-fosfaadist, kus X tähistab asendatud hüdroksüüli. Seejuures, sarnaselt valkude translatsioonijärgsete modifikatsioonidega, teostavad fosfatidüülinositooli suhkru fosforüülimist ensüümid kinaasid. Levinumad PI derivaadid on fosfatidüülinositool-4,5-bisfosfaat (erialases kirjanduses tähistatakse ka PIP2) ja fosfatidüülinositool-3,4,5-trisfosfaat (erialases kirjanduses tähistatakse ka PIP3).
pisi|Erinevad fosfolipaasid hüdrolüüsivad fosfatidüülinositooli skemaatilises struktuuris erinevaid estersidemeid
Fosfatidüülinositoolist saab tuletada sekundaarseid virgatsaineid ka teisiti, lõhustades (hüdrolüüsides) erinevaid estersidemeid glütseroolijäägi vahetus läheduses. Neid reaktsioone viivad läbi ensüümid fosfolipaasid: PLA1, PLA2, PLB, PLC ja PLD. Täpsemalt:

 Ensüümid PLA1, PLA2 ja PLB lagundavad PI molekulis estersidemeid glütseroolijäägi ja rasvhapete vahel: PLA1 lagundab otsmist estersidet (st inositoolist kõige kaugemal paiknevat) ja PLA2 lagundab estersidet glütserooli 2. süsiniku juures. PLB saab lagundada mõlemat estersidet. Reaktsiooni järel vabaneb rasvhape ning glütseroolijäägis taastub esterrühma koostisse kuulunud hüdroksüülrühm. 
 Ensüümid PLC ja PLD lagundavad PI molekulis estersidemeid, mis on moodustunud fosforhappejäägi vahendusel. PLC lagundab sidet, mis ühendab fosforhappejääki glütseroolijäägiga, ning PLD lagundab sidet, mis ühendab fosforhappejääki inositoolijäägiga. Esimese reaktsiooni tulemusena vabaneb diatsüülglütserool (eeldusel, et PLA1, PLA2 või PLB pole PI molekuli eelnevalt töödelnud) ja inositool-1-fosfaat. Teise reaktsiooni tulemusena vabaneb aga nn fosfatiidhape ja inositool.

PI ja sellest kinaaside katalüüsitud reaktsioonides moodustunud derivaadid ning fosfolipaaside katalüüsitud reaktsioonides moodustunud „laguproduktid“ on põimitud erinevatesse signaaliradadesse.

 Fosfolipaas C – diatsüülglütserool – proteiinkinaas C signaalirada 
Membraanis paiknevad fosfolipaas C (PLC) isosüümid moodustavad tegelikult üsna suure ensüümide perekonna: inimorganismis on 13 PLC-d, mis erinevad üksteisest oluliselt molekuli suuruse poolest (537-2296 aminohappejääki). PLC-d aktiveeruvad tüüpiliselt vastusena rakuvälisele sündmusele, kusjuures aktivatsiooni vahendavad taas GPCRid – seekord aga konkreetselt Gaq/11 valguga seotud retseptorid (nt alfa-1-tüüpi adrenergiline retseptor). Retseptorilt dissotsieerunud Gaq/11 seostub PLC-ga, kutsudes esile aktiveeriva muutuse PLC ruumilises struktuuris. PLC aktivaatoriks võib aga olla ka Ca2+ – see on näide positiivsest tagasisidemehhanismist, sest PLC enda aktiivsus tingib omakorda Ca2+ kontsentratsiooni tõusu tsütosoolis.
pisi|414x414px|Signaalirada, mida käivitab Gαq-valguga seotud retseptor ning mille keskseks sekundaarseks virgatsaineks on fosfatidüülinositool. Lühendid, mida ei ole põhitekstis: GDP, guanosiindifosfaat; GTP, guanosiintrifosfaat; ER, endoplasmaatiline retiikulum
PLC hüdrolüüsib ligikaudu sama efektiivsusega fosfatidüülinositooli, fosfatidüülinositool-4-fosfaati ja fosfatidüülinositool-4,5-bisfosfaati. Reaktsioonide ühise saadusena tekib diatsüülglütserool (DAG), mis püsib tänu hüdrofoobsetele alküülahelatele rakumembraani siseküljel. Seal saab DAG sekundaarse virgatsainena aktiveerida mitmeid ensüüme, mille struktuuris on olemas nn forboolestri sidumisdomeen. Selliste ensüümide hulka kuuluvad näiteks proteiinkinaasi C (PKC) nn konventsionaalsed isosüümid (α, β1, β2, γ) ja ka uudsed (ingl k novel) isosüümid (δ, ε, η, θ). Aktiveeritud PKC saab oma mitmesuguste substraatide fosforüülimise kaudu reguleerida mitmeid protsesse, mille füsioloogiline väljund oleneb ka konkreetse koe kontekstist: nt silelihaste kokkutõmbumine, vereliistakute agregatsioon, neuronite ergastumine jpm. Kuna konventsionaalsed PKC isosüümid vajavad aktiveerumiseks lisaks ka Ca2+, moodustub nimetatud biomolekulidest üsna keeruline tagasisidestatud süsteem.
vasakul|pisi|Prostaglandiinide G2 ja H2 süntees lähteainest arahhidoonhappest. Sünteesi esimest etappi katalüüsivad ensüümid tsüklooksügenaasid (COX) ja sünteesi teist etappi peroksidaasid. COX inhibiitorid on tuntud mittesteroidsed põletikuvastased valuvaigistid
DAGi lagundamist või edasist modifitseerimist võivad katalüüsida mitmed ensüümid, sealhulgas lipaasid. Lipaaside vahendatud hüdrolüüsi tulemusena eemaldatakse DAG küljest rasvhappejäägid, millest üks tuntumaid on arahhidoonhape (küllastumata rasvhape kahekümne süsinikuaatomi ja nelja cis-kaksiksidemega). Arahhidoonhape (ehk (5Z,8Z,11Z,14Z)-ikosa-5,8,11,14-tetraeenhape) on ülioluline lähteaine eikosanoidide (sealhulgas prostaglandiinide) sünteesiks. Need autokriinsed ja parakriinsed signaalmolekulid reguleerivad organismis mitmeid protsesse, olles seotud muuhulgas põletikulise vastuse, valuaistingute, immuunsüsteemi töö korraldamise jpm ülesannetega.

 Fosfoinositiid-3-kinaas – fosfatidüülinositool-3,4,5-trisfosfaat – fosfoinositiidsõltuv kinaas 1 (PDK1) – proteiinkinaas B (Akt) signaalirada 
Fosfoinositiid-3-kinaasi ehk PI3K puhul eristatakse 3 klassi, mis mõnevõrra erinevad üksteisest ensüümi moodustavate ühikute (katalüütiline ja regulatiivne) aminohappelise koostise ning ka aktiveerimise mehhanismi poolest. Üldiselt on PI3K-d seotud rakumembraani rakusisese osaga. Enim uuritud on nn 1. klassi kuuluvad PI3K-d, mis on sageli ka muundunud (muteerunud) või mille hulk on anomaalselt võimendunud (amplifitseerunud) erinevates vähkkasvajates. Nende PI3K-de aktiveerumine kulgeb enamasti üle kasvufaktorite retseptorite (nt EGFR, PDGFR) või insuliini retseptori ja Ras-nimelise GTP-aasi. Kasvufaktori või insuliini seostumine retseptori rakuvälise osaga käivitab muutusi retseptori ruumilises struktuuris, mis kandub edasi retseptoriga seotud rakusisestele valkudele (nt Ras) ja nende aktiivsuse abil ka rakus edasi.

PI3K perekond katalüüsib fosfatidüülinositooli molekulis inositooli 3. asendis paikneva hüdroksüülrühma fosforüülimist: näiteks fosfatidüülinositool-4,5-bisfosfaadist (PIP2) tekib fosfatidüülinositool-3,4,5-trisfosfaat (PIP3). Vastasreaktsiooni (st PIP3 hüdrolüüsi PIP2-ks) katalüüsib fosfataas PTEN. Mõlemad sekundaarsed virgatsained on ankurdatud rakumembraani, kuid just PIP3 on oma polaarsema osa kaudu võimeline seostuma mitmete valkude struktuuris leiduva nn plekstriinisarnase (ingl k pleckstrin homology) domeeniga. Sel viisil tuuakse ka plekstriinisarnast domeeni sisaldav valk rakumembraani lähedusse, kus see sageli omandab teistsuguse ruumilise struktuuri kui tsütoplasmas. Plekstriinisarnast domeeni sisaldavad näiteks proteiinkinaasid PDK1 (fosfoinositiid-sõltuv kinaas 1) ja Akt/PKB (proteiinkinaas B).
pisi|339x339px|Insuliini seostumisel retseptorile käivitub signaalirada, milles osalevad ensüümid PI3K, PDK ja Akt. Halli kastiga on tähistatud rakumembraan ning on näidatud ka rajas osalevad sekundaarsed virgatsained PIP2 ja PIP3.
PIP3 seostumise järgselt aktiveeritud PDK1 fosforüülib membraani läheduses Akt-i, mis omandab seejärel samuti katalüütilise aktiivsuse. Akt substraate ning seega ka Akt-i reguleeritavaid radu on rakus väga mitmeid. Näiteks:

 Akt fosforüülib proapoptootilist valku BAD (lühend ingliskeelsest täisnimetusest Bcl-2-associated death promoter). Algselt fosforüülimata BAD käivitab rakkudes programmeeritud surma ehk apoptoosi, kuid Akt vahendusel fosforüülitud BAD muutub mitteaktiivseks. Sel viisil saab PI3K/PDK1/Akt rada panustada rakkude ellujäämisse.
 Akt fosforüülib valku GSK3β (lühend ingliskeelsest täisnimetusest glycogen synthase kinase). Algselt fosforüülimata GSK3β pidurdab rakkudes glükogeeni sünteesi glükoosist. Akt vahendusel fosforüülitud GSK3β muutub aga mitteaktiivseks ning füsioloogiliseks väljundiks on glükogeeni sünteesi intensiivistumine. See on üks molekulaarsetest mehhanismidest, kuidas insuliini käivitatud signaalirada saab reguleerida rakkudes varuainete sünteesi glükoosist.
 Akt fosforüülib valkude perekonda TSC (lühend ingliskeelsest täisnimetusest tuberous sclerosis protein). Algselt fosforüülimata TSC pidurdab valkude perekonna mTOR (lühend ingliskeelsest täisnimetusest mammalian target of rapamycin) aktiivsust. Akt vahendusel fosforüülitud TSC muutub aga mitteaktiivseks ning füsioloogiliseks väljundiks on mTOR raja aktiivsuse suurenemine. mTOR rada omakorda aktiveerib näiteks valkude sünteesi ribosoomidel. Sel viisil saab PI3K/PDK1/Akt rada panustada rakkude kasvu.

 Kaltsiumkatioon Ca2+ 
pisi|317x317px|Mudel, mis näitab IP3 ja Ca2+ rakusisese kontsentratsiooni muutumist, kus IP3 kuhjumisel ületatakse perioodiliselt teatud lävi, mis tingib Ca2+ kiiret sissevoolu tsütosooli. Sellele järgneb Ca2+ kiire väljapumpamise faas.
Sekundaarsetest virgatsainetest on Ca2+ ainus, mille kättesaadavus rakus ei ole reguleeritud sünteesi ja lagundamise abil, vaid hoopis iooni lokaalse talletamise (ingl k sequestration) ja vabastamise kaudu. Kui rakuvälises keskkonnas on Ca2+ kontsentratsioon 2–5 mM, siis puhkeolekus rakkude tsütoplasmas on vaba Ca2+ kontsentratsioon suurusjärgus 100 nM. Samas on Ca2+ kontsentratsioon väga kõrge (1-2 mM) rakusiseses organellis – endoplasmaatilises retiikulumis, mida nimetatakse ka Ca2+ reservuaariks ehk hoidlaks. Sellist Ca2+ kontsentratsioonide erinevust tsütosooli ja endoplasmaatilise retiikulumi vahel saavutatakse tänu spetsiaalsele pumbale, mis kasutab ATP energiat, et pumbata iooni ühest lokatsioonist teise vastu kontsentratsioonigradienti (st väiksema sisaldusega lokatsioonist suurema sisaldusega lokatsiooni). Endoplasmaatilises retiikulumis on Ca2+ vaikimisi seotud spetsiaalse valgu kalretikuliini külge.
vasakul|pisi|211x211px|Ca2+ sidumissait mitokondriaalse valgu tsitriini molekulis. Ca2+ on näidatud rohelise sfäärina ning suur osa valgust sekundaarsete struktuuridena, kuid katiooniga vastastikmõjusid loovad aminohappejäägid on näidatud värviliste pulkadena (süsinikuaatomid valged, hapnikuaatomid punased, lämmastikuaatomid sinised) ning on nummerdatud.
Nagu eespool mainitud, algatab Ca2+ vabastamist tsütosooli rakuväline sündmus – enamasti agonisti seostumine Gαq/11 valguga seotud retseptorile. Gαq aktiveerib fosfolipaas C-d, mis lagundab fosfatidüülinositool-4,5-bisfosfaati (PIP2) diatsüülglütserooliks ja inositooltrifosfaadiks (IP3). IP3 on väike hüdrofiilne molekul, mis saab difundeeruda tsütosoolis ja seostuda IP3 retseptoritele, mis paiknevad endoplasmaatilises retiikulumis. Need retseptorid käituvad ka Ca2+ kanalitena ning retseptorite aktiveerumisel ja avanemisel saabki Ca2+ liikuda endoplasmaatilisest retiikulumist tsütosooli. Ca2+ kontsentratsiooni tõusuga tsütosoolis kaasneb sageli ka rakumembraanis paiknevate Ca2+-kanalite avanemine, mis aitab kaasa iooni rakusisese kontsentratsiooni väga järsule tõusule. Neuronites võib rakusisese Ca2+ tõusu käivitada ka närviimpulsi saabumise tulemusena tekkiv membraani depolariseerumine, millega peab samaaegselt kaasnema ka virgatsaine glutamaadi kohalolek sünapsis. Kui need kaks tingimust on täidetud, siis glutamaat seostub N-metüül-D-aspartaadi retseptori (NMDA-R) külge ning retseptor käitub sel juhul Ca2+-kanalina, läbi mille saab rakuväline Ca2+ liikuda tsütosooli.

Ca2+ omab mitmeid efektoreid, mis võivad siduda Ca2+ otseselt või kaudselt. Ca2+ otseseks seostumiseks on vajalik negatiivselt laetud domeeni olemasolu valgu struktuuris – need domeenid käituvad Ca2+ kelaatoritena, luues laeng-laeng vastastikmõjusid. Näiteks valk kalmoduliin omab kokku neli sidumistaskut, mis sisaldavad rohkesti aspartaadi- ja glutamaadijääke, mis on füsioloogilise pH juures negatiivselt laetud. Ca2+ kaudseks sidumiseks kasutavadki teised valgud vahendajana kalmoduliini. Ca2+-ioonidega komplekseerunud kalmoduliini sidumise kaudu aktiveeruvad näiteks nn Ca2+/ kalmoduliinsõltuvad proteiinkinaasid (CaMK), aga ka fosfataas kaltsineuriin. CaMK perekonna kinaaside ja kaltsineuriini aktiivsuse ajaline muster on määrav nt pikaajalise mälu tekkimise ja kustumise seisukohalt.

Ca2+-ioonidega komplekseerunud kalmoduliini sidumise kaudu reguleeritakse ka silelihaste tööd: silelihastes aktiveerib see kompleks müosiini kerge ahela kinaasi. Skeletilihastes toimub aga Ca2+ vahetu sidumine valgu troponiini külge, mis moodustab kompleksi müosiiniga. Mõlemal juhul moduleeritakse aktiini ja müosiini vahelist vastastikmõju, mis viib lõppkokkuvõttes lihaste kokkutõmbumiseni.

 Patoloogilised seisundid 
pisi|PI3K katalüütilise alaühiku inhibiitori alpelisiibi struktuur
pisi|mTOR kompleksi tüüp 1 (mTORC1) inhibiitori everoliimuse struktuur
Kuivõrd sekundaarsete virgatsainete vahendatud signaalirajad on olulised organismi normaalse talitluse tagamiseks, võivad häired sellistes radades (nt sekundaarse virgatsaine tootmise või lagundamise tasemel) käivitada või aidata kaasa mitmete haiguste arengule. Näiteks:

 PIP2 fosforüülimise eest vastutava kinaasiperekonna PI3K liikmete geenid on amplifitseerunud või aktiveerivalt muteerunud mitmetes vähkkasvajates, st nende kinaaside aktiivsus on anomaalselt suur. Lisaks on vastasreaktsiooni katalüüsiva fosfataasi PTEN geen mitmetes vähkkasvajates hoopis inaktiveerivalt muteerunud (st fosfataasi aktiivsus on anomaalselt väike), mis viib samuti kokkuvõttes PI3K/Akt/mTOR raja püsivalt üleaktiveeritud seisundini. Selle signaaliraja aktiivsuse blokeerimiseks on arendatud mitmeid kinaasiinhibiitoreid, millest mõned (nt alpelisiib või everoliimus) on juba kliinilises kasutuses ning mõned (nt capivasertib) kliiniliste katsetuste eri etappides.
 Oksüdatiivne stress (rakus toodetavate redutseerivate ja oksüdeerivate ühendite vahelise tasakaalu häirumine) blokeerib NO süntaasi aktiivsust ning põhjustab lahustuva guanülaaditsüklaasi heemis Fe2+ oksüdeerumist. Tulemuseks on NO/cGMP/PKG raja aktiivsuse langus, mida on seostatud mitmete südame- ja veresoonkonna haigustega.
 cAMP/PKA rada on organismis muuhulgas oluline ka kõhunäärme Langerhansi saartes paiknevate beetarakkude normaalseks toimimiseks (beetarakud reageerivad glükoosi tõusule veres, käivitades insuliini sekreteerimist). Kuna nii 1. kui ka 2. tüüpi diabeeti põhjustab beetarakkude töö häirumine, siis on haiguse ravi ühe strateegiana (kõrvuti teiste teraapiatega, näiteks autoimmuunsuse mahasurumisega 1. tüüpi diabeedi korral) kaalutud cAMP-lagundavate fosfodiesteraaside aktiivsuse blokeerimist (inhibeerimist). Sel viisil oleks võimalik suurendada cAMP/PKA aktiivsust beetarakkudes ning stimuleerida insuliini tootmist.
 Huntingtoni tõve biokeemilised mehhanismid pole seni selged, kuid lähtuvalt neuronite surma iseloomulikest mustritest ja haiguse geneetilisest komponendist arvatakse, et selle neurodegeneratiivse haiguse korral on oluline IP3 ja Ca2+ radade anomaalne aktivatsioon. Nimelt on Hungtintoni tõvega patsientidel muteerunud geen, mis kodeerib valku huntingtiin – kusjuures on näidatud, et just valgu muteerunud vorm seostub IP3 retseptorile ja teeb seda tundlikumaks IP3 suhtes. Tulemuseks aktiveerub retseptor tavalisest madalamate IP3 kontsentratsioonide juures, millega kaasneb retseptori vahendatud Ca2+ sissevool tsütosooli. Anomaalselt aktiivsed Ca2+ signaalirajad neuronites viivadki kokkuvõttes rakkude surmani.

 Viited 

Kategooria:Virgatsained