cAMP i cGMP

1. Profil

1.1. Miejsce w hierarchii sygnału

Większość cząsteczek sygnałowych — hormonów, neuroprzekaźników i mediatorów zapalnych — nie wnika do komórki. Wiąże się z receptorem na jej powierzchni, a informację o tym zdarzeniu przenosi dalej przekaźnik drugiego rzędu, powstający po wewnętrznej stronie błony. Hasło to pogłębia zagadnienie omówione ogólnie we wpisie „Przekaźniki wtórne”, ograniczając się do dwóch cząsteczek o największym znaczeniu.

Układ taki daje trzy korzyści, których bezpośrednie działanie hormonu by nie zapewniło:

• Wzmocnienie — jeden zajęty receptor aktywuje wiele białek G, a każda pobudzona cyklaza wytwarza tysiące cząsteczek cAMP
• Rozgałęzienie — jeden przekaźnik uruchamia równolegle kilka szlaków wykonawczych
• Regulacja czasowa — sygnał można wygasić w milisekundach przez rozłożenie przekaźnika, bez czekania na odłączenie hormonu

Cyklicznych nukleotydów jest dwa, a ich role bywają przeciwstawne. cAMP przenosi najczęściej sygnały pobudzające metabolizm i kurczliwość serca, cGMP — sygnały rozkurczające naczynia. W mięśniu gładkim naczyń oba działają wręcz w przeciwnych kierunkach, co ma bezpośrednie przełożenie na farmakologię.

1.2. Powstawanie i budowa

Obie cząsteczki są nukleotydami, w których reszta fosforanowa tworzy pierścień z dwoma atomami węgla rybozy — stąd określenie „cykliczny”. Ta zamknięta budowa czyni je odpornymi na enzymy rozkładające zwykłe nukleotydy, a zarazem rozpoznawalnymi wyłącznie dla własnych odbiorników.

Rozdzielenie dwóch cyklaz guanylanowych ma znaczenie praktyczne, bo prowadzi do dwóch osobnych grup leków. Postać rozpuszczalna jest celem donorów tlenku azotu, takich jak nitrogliceryna, oraz nowszych stymulatorów działających na nią bezpośrednio [4]. Postać błonowa jest natomiast odbiornikiem hormonów wydzielanych przez serce przy przeciążeniu objętościowym — i to jej działanie wzmacniają leki hamujące rozkład peptydów natriuretycznych.

Cyklaza adenylanowa podlega regulacji dwukierunkowej: białko G_s ją pobudza, a białko G_i hamuje. Ten sam neuroprzekaźnik może więc podnosić albo obniżać stężenie cAMP zależnie od podtypu receptora, z którym się zwiąże — dopamina działająca na receptor D1 podnosi je, a na receptor D2 obniża.

1.3. Rys historyczny

Pojęcie przekaźnika drugiego rzędu wprowadził Earl Sutherland, badając w latach pięćdziesiątych, w jaki sposób adrenalina uruchamia rozkład glikogenu w wątrobie. Stwierdził, że hormon nie działa bezpośrednio na enzym, lecz przez czynnik pośredniczący powstający w błonie — zidentyfikowany później jako cAMP. Za odkrycie to otrzymał w 1971 roku Nagrodę Nobla.

Historia cGMP rozwinęła się później i inaczej. W latach osiemdziesiątych ustalono, że czynnik rozszerzający naczynia, uwalniany przez śródbłonek, jest tlenkiem azotu — gazem uznawanym dotąd wyłącznie za zanieczyszczenie powietrza. Odkrycie to nagrodzono Noblem w 1998 roku, a jego praktycznym następstwem stał się sildenafil: lek opracowywany pierwotnie jako preparat wieńcowy, którego działanie polega na hamowaniu rozkładu cGMP.

2. Mechanizmy i funkcje

2.1. Szlak cAMP

Sekwencja zdarzeń jest powtarzalna niezależnie od tkanki. Receptor sprzężony z białkiem G_s po związaniu liganda zmienia konformację, co pozwala białku G wymienić GDP na GTP i uwolnić podjednostkę α. Ta pobudza cyklazę adenylanową, a powstający cAMP wiąże się z podjednostkami regulatorowymi kinazy białkowej A (PKA), uwalniając jej część katalityczną.

PKA fosforyluje następnie białka docelowe, dobrane odmiennie w każdej tkance:

cAMP działa też niezależnie od PKA — przez białka EPAC, uczestniczące w wydzielaniu insuliny i w regulacji szczelności śródbłonka. Rozdział ten tłumaczy, dlaczego skutki podniesienia stężenia cAMP nie dają się sprowadzić do jednego mechanizmu.

2.2. Szlak cGMP

Tlenek azotu powstaje w śródbłonku z argininy przy udziale syntazy eNOS, przenika swobodnie przez błony do sąsiedniej komórki mięśnia gładkiego i tam pobudza rozpuszczalną cyklazę guanylanową. Powstający cGMP aktywuje kinazę białkową G (PKG), która obniża stężenie wapnia w cytozolu i zmniejsza wrażliwość aparatu kurczliwego na wapń — naczynie się rozszerza.

Szlak ten jest wyjątkowo podatny na uszkodzenie przez stres oksydacyjny. Nadtlenek azotynu, powstający z reakcji tlenku azotu z anionorodnikiem ponadtlenkowym, zarówno zużywa sam przekaźnik, jak i utlenia grupę hemową cyklazy, czyniąc ją niewrażliwą na dalsze pobudzenie [5]. Dysfunkcja śródbłonka w miażdżycy, cukrzycy i nadciśnieniu polega w znacznej mierze właśnie na tym — tlenek azotu powstaje, ale nie zostaje odczytany.

Obserwacja ta ma następstwo lekowe. Skoro w chorym naczyniu zawodzi przekazanie sygnału, a nie jego wytworzenie, opracowano substancje pobudzające cyklazę bezpośrednio, niezależnie od tlenku azotu. W modelu przerostu serca wywołanego angiotensyną II stymulator cyklazy zmniejszał wytwarzanie reaktywnych form tlenu oraz ograniczał przerost i włóknienie, nie wpływając przy tym na ciśnienie tętnicze [4].

2.3. Wygaszanie sygnału — fosfodiesterazy

Sygnał musi zostać zakończony, a robią to fosfodiesterazy (PDE) — rodzina jedenastu grup enzymów rozcinających pierścień fosforanowy. Ich znaczenie farmakologiczne wynika z tego, że różne grupy występują w różnych narządach i rozkładają wybiórczo jeden lub oba przekaźniki [3].

Wybiórczość decyduje o profilu działań niepożądanych. Inhibitory PDE4 wywołują nudności, ponieważ enzym ten występuje także w obszarze pnia mózgu odpowiadającym za wymioty; przewlekłe hamowanie PDE3 zwiększa natomiast śmiertelność w niewydolności serca, mimo doraźnej poprawy kurczliwości [3]. Ostatnia obserwacja jest jedną z ważniejszych przestróg w kardiologii: poprawa parametru nie równa się poprawie rokowania.

2.4. Kompartmentalizacja — dlaczego sygnał nie rozlewa się po komórce

Gdyby cAMP rozprzestrzeniał się swobodnie, każde pobudzenie dowolnego receptora dawałoby ten sam skutek w całej komórce. Tak się nie dzieje, ponieważ sygnał jest zamknięty w mikrodomenach: obszarach o średnicy ułamka mikrometra, wyznaczanych przez rozmieszczenie cyklaz, fosfodiesteraz i białek kotwiczących AKAP, które ustawiają kinazę PKA tuż przy jej białku docelowym.

Obrazowanie z użyciem czujników opartych na przeniesieniu energii wzbudzenia pozwoliło zobaczyć te przedziały w żywej komórce. W ludzkich adipocytach białych stwierdzono kilka odrębnych mikrodomen związanych z różnymi podtypami receptorów β-adrenergicznych, z których każda inaczej steruje lipolizą; w insulinooporności ich regulacja ulega zaburzeniu, a metformina częściowo ją przywraca [1].

Znaczenie tej obserwacji wykracza poza fizjologię prawidłową, ponieważ przerośnięta tkanka tłuszczowa jest źródłem przewlekłego odczynu zapalnego, a mediatory zapalne same modyfikują sygnalizację adrenergiczną adipocytu [6]. Nowsze prace pokazały ponadto pulę cAMP wokół samej kropli tłuszczu, odrębną od puli cytoplazmatycznej i odporną zarówno na hamowanie fosfodiesteraz, jak i na działanie sygnałów antylipolitycznych. Insulina obniża głównie pulę cytoplazmatyczną, a czynnik FGF1 — pulę przybłonową [2]. Wniosek jest istotny dla całej dziedziny: hamowanie lipolizy nie jest procesem jednorodnym, a stężenie cAMP zmierzone w całej komórce nie mówi, co dzieje się w miejscu, które ma znaczenie.

2.5. Funkcje w poszczególnych układach

Wiersz dotyczący wzroku wyjaśnia znane działanie niepożądane. Fosfodiesteraza typu 6, obecna w pręcikach, jest budową zbliżona do typu 5, dlatego mniej wybiórcze inhibitory PDE5 wywołują przemijające zaburzenia widzenia barw — objaw wynikający wprost z podobieństwa dwóch enzymów.

3. Zaburzenia i modyfikacja

3.1. Zaburzenia szlaku cAMP

Choroby tego szlaku dzielą się na dwie grupy, zależnie od tego, czy sygnał jest zbyt słaby, czy trwale włączony.

Rzekoma niedoczynność przytarczyc wynika z mutacji genu GNAS kodującego białko G_s. Parathormon jest wydzielany prawidłowo i wiąże się z receptorem, ale sygnał nie zostaje przekazany — stąd obraz niedoczynności przy wysokim stężeniu hormonu. Jest to modelowy przykład oporności na hormon spowodowanej defektem przekaźnika, a nie receptora.

Zespół McCune’a-Albright jest odwrotnością: mutacja mozaikowa tego samego genu uniemożliwia wyłączenie białka G_s w części komórek, przez co cAMP pozostaje trwale podwyższony. Skutkiem jest przedwczesne dojrzewanie płciowe, nadczynność kilku gruczołów i dysplazja włóknista kości.

Trwałe włączenie szlaku bywa też wywołane z zewnątrz. Toksyna cholery modyfikuje białko G_s tak, że nie może ono zakończyć własnego działania; w enterocytach prowadzi to do niepowstrzymanego wydzielania chlorków i wody. Objętość biegunki w cholerze jest zatem bezpośrednim skutkiem zablokowania wyłącznika przekaźnika drugiego rzędu, a nie uszkodzenia nabłonka.

3.2. Zaburzenia szlaku cGMP

Najczęstszym zaburzeniem jest dysfunkcja śródbłonka, opisana w sekcji 2.2 jako utrata zdolności odczytania sygnału tlenku azotu. Towarzyszy ona miażdżycy, cukrzycy, nadciśnieniu i paleniu tytoniu, a poprzedza zmiany widoczne w badaniach obrazowych.

W nadciśnieniu płucnym niedobór sygnalizacji cGMP jest na tyle istotny, że inhibitory PDE5 oraz stymulatory cyklazy guanylanowej należą do leczenia podstawowego. W niewydolności serca z obniżoną frakcją wyrzutową stosuje się stymulator cyklazy działający niezależnie od tlenku azotu, co ma znaczenie właśnie u chorych ze stresem oksydacyjnym [4].

Zaburzenia erekcji są w większości przypadków objawem naczyniowym, a nie zaburzeniem psychicznym: wzwód wymaga sprawnego szlaku NO–cGMP w ciałach jamistych. Dlatego ich wystąpienie u mężczyzny w średnim wieku bywa wczesnym sygnałem choroby naczyń i uzasadnia ocenę ryzyka sercowo-naczyniowego.

3.3. Punkt uchwytu leków — i najważniejsze przeciwwskazanie

Leki działające przez cykliczne nukleotydy należą do najczęściej stosowanych, a ich zestawienie pokazuje, jak wiele odległych wskazań łączy jeden mechanizm.

Z zestawienia wynika przeciwwskazanie o znaczeniu bezpośrednio praktycznym: jednoczesne zastosowanie donoru tlenku azotu i inhibitora PDE5 grozi gwałtownym spadkiem ciśnienia, ponieważ jeden lek zwiększa wytwarzanie cGMP, a drugi blokuje jego rozkład. Połączenie to jest bezwzględnie przeciwwskazane, a odstęp czasowy między nimi wynosi co najmniej dobę.

3.4. Jak zbadać

Reguła praktyczna jest tu jednoznaczna: przekaźników drugiego rzędu się nie oznacza. Ocenie podlegają skutki ich działania — stężenie peptydów natriuretycznych, ciśnienie, wydolność wysiłkowa — albo defekt genetyczny szlaku.

3.5. Modyfikacja behawioralna i dietetyczna

• Wysiłek fizyczny zwiększa aktywność syntazy eNOS i dostępność tlenku azotu; jest to najlepiej udokumentowany sposób poprawy czynności śródbłonka
• Zaprzestanie palenia usuwa jedno z najsilniejszych źródeł stresu oksydacyjnego niszczącego tlenek azotu [5]
• Warzywa bogate w azotany — burak, rukola, szpinak — dostarczają substratu do wytwarzania tlenku azotu drogą niezależną od syntazy
• Kontrola glikemii i ciśnienia ogranicza uszkodzenie szlaku cGMP, zanim wystąpią objawy
• Ograniczenie kofeiny wieczorem — hamowanie fosfodiesteraz i blokada receptorów adenozynowych opóźniają zasypianie
• Regularny sen wpływa na dobową zmienność sygnalizacji adrenergicznej, a przez to na profil cAMP w sercu i tkance tłuszczowej

3.6. Wsparcie suplementacyjne

Zastrzeżenie porządkujące. Deklaracje typu „podnosi cAMP” opierają się niemal wyłącznie na badaniach komórkowych, w których użyte stężenia wielokrotnie przekraczają osiągalne po podaniu doustnym. Ponadto kierunek zmiany nie jest sam w sobie korzystny: przewlekłe podwyższenie cAMP w sercu pogarsza rokowanie, co wykazano dla leków hamujących fosfodiesterazę typu 3 [3].

Dwie uwagi praktyczne. Po pierwsze, preparaty deklarujące hamowanie fosfodiesterazy typu 5 wymagają szczególnej ostrożności u osób stosujących azotany, ponieważ ryzyko spadku ciśnienia dotyczy mechanizmu, a nie statusu prawnego substancji. Po drugie, w tej kategorii wielokrotnie wykrywano preparaty zafałszowane sildenafilem lub jego analogami niewymienionymi na etykiecie — jest to jedna z najczęściej fałszowanych grup suplementów.

4. Karta praktyczna

Jak to zbadać

Stężeń cAMP i cGMP nie oznacza się w praktyce klinicznej. Ocenie podlegają skutki działania tych szlaków: stężenie BNP lub NT-proBNP w niewydolności serca, ciśnienie tętnicze, wydolność wysiłkowa oraz — przy podejrzeniu defektu genetycznego — test stymulacji parathormonem i badanie genu GNAS. U mężczyzny z zaburzeniami erekcji uzasadniona jest ocena ryzyka sercowo-naczyniowego, ponieważ objaw ten bywa wczesnym wykładnikiem dysfunkcji śródbłonka.

Na co uważać

• Połączenie inhibitora PDE5 z azotanem jest bezwzględnie przeciwwskazane — grozi gwałtownym spadkiem ciśnienia.
• Preparaty „na potencję” bywają zafałszowane sildenafilem lub jego analogami, co czyni powyższe przeciwwskazanie realnym także dla osób nieprzyjmujących leków na receptę.
• Podwyższenie cAMP w sercu poprawia kurczliwość doraźnie, ale przewlekłe hamowanie PDE3 zwiększa śmiertelność [3].
• Winpocetyna ma w części krajów status leku i jest przeciwwskazana w ciąży.
• Zaburzenia erekcji o podłożu naczyniowym wyprzedzają objawy wieńcowe nawet o kilka lat.
• Zaburzenia widzenia barw po inhibitorach PDE5 wynikają z podobieństwa enzymu siatkówkowego i są przemijające.