загрузка...
 
НУКЛЕОТИДНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ФЕРМЕНТОВ
Повернутись до змісту

НУКЛЕОТИДНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ФЕРМЕНТОВ

Очень многие ферменты являются не простыми, а сложными белками. Небелковая часть бывает разной. Нередко она содержит мононук- леотидный фрагмент. Примером может служить кофермент А (КоА). Как видно на рис. 2-5, нуклеотидным его компонентом является АМФ, дополнительно фосфорилированный в позиции

рибозы (З'-фосфо-АМФ). Остальная часть ко- фермента А представлена фосфопантотешом, который своей фосфатной группой соединен с 5'-фосфатом в молекуле З'-фосфо-АМФ. Ои содержит псмтотеновую кислоту (витамин Вз), которую можно представить как р-аланин, соединенный пептидной связью с диметилмасля- иой кислотой, гидроксилированной в положениях 2 и 4. Последний из этих гидроксилов несет фосфатную группу (через которую осуществляется связь фосфопантотеина с З'-фосфо- АМФ), а кислотный радикал пантотеновой кислоты соединен пептидной связью с тиоэтано- ламином (продукт декарбоксилирования цистеина). Его тиольная группа (-5Н) и является реактивным центром кофермента А, присоединяющим органические кислоты на время переноса их с одних веществ на другие (КоА - это сокращение от слов «кофермент ацилирова- ния»). Такую же функцию выполняет и сам фос- фопантотеии, входя в состав некоторых ферментов (речь об этом пойдет в разделе 7.4.3).

Рис. 2-5. Строение кофермента А (КоА; Н8-КоА).

У ряда других ферментов небелковая часть представляет собой соединение АМФ с очень похожей на него структурой. Одна из таких

Рис. 2-6. Строение никотинамидадениндинуклеотида (НАД). Примечание: в молекуле НАДФ атом водорода, указанный стрелкой, замещен фосфатной группой -РОзН2

надстроек отличается только тем, что в качестве пиримидинового основания содержит амид никотиновой кислоты, который (как и сама никотиновая кислота) является витамином РР. Поэтому такую структуру можно назвать нико- тинамидным мононуклеотидом. При соединении его с АМФ образуется никотинамид- адениндинуклеотид (НАД, рис. 2-6). Он выполняет роль кофермента никотинамидных дегидрогеназ, названных так по способности отнимать атомы водорода от окисляемых веществ. К адениловому фрагменту молекулы НАД может быть присоединена дополнительная фосфатная группа (в положении 2 рибозы); такой кофермент обозначается как никотинамидаде- ниндинуклеотидфосфат (НАДФ).

Еще один пример - молекула фпавинаде- ниндинуклеотида (ФАД). Как показано на рис.

7, он является соединением адениловой кислоты с флавинмононуклеотидом (ФМН), пред-

Рис. 2-7. Флавинадениндинуклеотид (ФАД).

ставленным на рис. 1-27. Во многих флавино- вых ферментах именно ФАД (а не ФМН) выполняет функцию простетической группы, способной временно присоединять 2 атома водорода в ходе переноса их от одного вещества к другому.

Заслуживает внимания тот факт, что и в ФАД, и в НАД мономеры соединены своими фосфатными «хвостами», а совсем не так, как мононуклеотиды в нуклеиновых кислотах (см. раздел 2.3). Из этого следует, в частности, что такого рода динуклеотиды не могут входить в состав природных полинуклеотидов (и появляться при их расщеплении).

РОЛЬ МОНОНУКЛЕОТИДОВ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ МЕТАБОЛИЗМЕ

К фосфатной группе любого нуклеозидмо- нофосфата может присоединяться остаток еще одной, а к нему — и третьей молекулы фосфорной кислоты. Так образуются соответствующие нуклеозиддифосфагы и нуклеозидтрифосфаты:

аденозиндифосфат (АДФ),

аденозинтрифосфат (АТФ); гуанозин дифосфат (ГДФ),

гуанозинтрифосфат (ГТФ); цитидиндифосфат (ЦДФ),

цитидинтрифосфат (ЦТФ); уридиндифосфат (УДФ),

уридинтрифосфат (УТФ); тимидиндифосфат (ТДФ),

тимидинтрифосфат (ТТФ).

Все перечисленные нуклеозидфосфаты относятся к числу мононуклеотидов, вне зависимости от количества фосфатных групп. Однако есть одна очень существенная деталь. Она видна на примере молекулы АТФ, формула которого приведена на рис. 2-8. Здесь только первый фосфатный остаток присоединен (к рибо- зе) сложноэфирной связью (обозначенной, как и обычно, черточкой). А вот соединение второй фосфатной группы с первой (а также третьего фосфата со вторым) представлено в виде волнистой линии (~). Так принято обозначать макроэргические связи, то есть такие связи, при гидролизе которых выделение свободной энергии превышает 30 кДж/моль (в расчете на стандартные условия). Для сравнения: при расщеплении обычной фосфоэфирной связи в различных молекулах этот параметр составляет от 9 до 20 кДж/моль, а конкретно в молекуле АМФ (связь между фосфатом и рибозой) — около 12 кДж/моль.

Таким образом, макроэргической называют связь, обладающую значительно повышенным запасом свободной энергии, пригодной для выполнения полезной работы. В молекуле АТФ (и ее аналогов) такой потенциал полезной энергии сосредоточен в кислотоангидридных связях, возникающих при соединении двух остатков фосфорной кислоты. Энергетически эквивалентны им макроэрги ческая связь в молекуле пирофосфата (Н4Р2О7) и тиоэфирные связи органических кислот с коферментом А. Еще выше потенциал в молекулах фосфоамидов, смешанных ангидридов фосфорной и карбоновых кислот (40-50 кДж/моль), а также енол- фосфатов (более 60 кДж/моль).

Каждое из макроэргических веществ перечисленных групп занимает свое место в биохимических процессах. И только АТФ причастен к самым разным реакциям, идущим с большими перепадами свободной энергии (и пото-

Рис. 2-8. Строение аденозинтрифосфата (АТФ).

му практически необратимым). Обычная концентрация этого макроэрга в клетках млекопитающих составляет около 1 ммоль/л.

Как правило, именно АТФ возникает за счет энергии, выделяемой в экзэргонических реакциях катаболизма, т.е., расщепления пищевых веществ до более простых соединений (в конечном счете - до СОг и Н20). При этом почти вся энергия, заключенная в химических связях органических молекул пищи, освобождается на окислительных этапах их разложения. Более половины ее используется клетками для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата (Фн)- Механизмы трансформации энергии биологического окисления в энергию макроэргических связей АТФ будут рассмотрены в главе 5. Здесь лишь отметим, что прямое преобразование освобождаемой энергии в энергию молекул АТФ обладает исключительно важными преимуществами.

Во-первых, преобладающая доля энергии, выделяемой в реакциях катаболизма, уберегается от рассеивания в виде тепла, которое «бесполезно» для организма (в том смысле, что не может быть использовано для совершения полезной работы из-за изотермичности живых существ). Во-вторых, молекулы АТФ достаточно устойчивы, чтобы быть средством накопления (депонирования) химически связанной полезной энергии и даже переноса ее к участкам потребления. Наконец, именно макро- эргические связи АТФ почти всегда служат клетке наиболее доступным поставщиком энергии для осуществления эндэргонических процессов (т.е., требующих затраты энергии). Все разнообразие таких процессов можно свести в три группы:

синтез сложных органических молекул из более простых предшественников (процессы анаболизма);

механическая работа, в том числе сокращение и расслабление мышц, движение внутриклеточных органелл;

трансмембранный перенос веществ, включая активный транспорт ионов и молекул против градиента концентрации (создание которого для ионов Иа+ и К+ лежит в основе электрических явлений, — таких как возникновение и распространение нервного импульса).

Важно подчеркнуть, что во всех этих энергоемких процессах происходит прямая передача энергии от АТФ, не требующая реакции гидролиза макроэргической связи за счет воды.

Для пояснения можно привести в общем виде реакцию синтеза вещества С-В из более простых предшественников:

Она явно относится к эндэргоническим. Если затраты энергии на ее реализацию составляют. например, 12 кДж/моль, то спонтанно она протекать не может. Однако возможно образование С-О путем двух последовательных реакций:

Приведенный пример показывает, что синтез молекул С-О (расход 12 кДж/моль) легко осуществим за счет сопряжения его с распадом АТФ до АДФ и Фн (освобождающим примерно 32 кДж/моль): суммарный итог процесса сводится к выделению около 20 кДж энергии на моль синтезированного С-Б (в расчете на стандартные условия). Такой уровень экзэргонич- ности практически полностью смещает равновесие сопряженных реакций в сторону синтеза вещества С-О за счет энергии распада АТФ до АДФ и Н3Р04.

Очень важно обратить внимание, что вода, необходимая для такого распада, отсутствует в левой части итогового уравнения. И действительно, утилизация макроэргической связи для обеспечения энергоемких процессов происходит не путем гидролиза (освобождающего всю полезную энергию в виде тепла), а совсем иначе. В данном случае концевая фосфатная группа АТФ сначала (реакция На) переносится на один из субстратов (такого рода реакции катализирует масса ферментов, обозначаемых термином киназа с добавлением названия фосфо- рилируемого субстрата). Затем, на стадии ПЬ, фосфорилированный субстрат соединяется с другим предшественником (О-Н), освобождая молекулу фосфорной кислоты (Фн). Получается, что для превращения АТФ в АДФ и Ф„ используется «скрытая» вода, - та, элементы которой {-ОН и -Н) находились в составе мо- лекул-предшественников и «изымались» из них в состав АДФ и Н3РО4.

Нередко использование АТФ в целях энергообеспечения реакций синтеза осуществляется иным способом. А именно: к одному из исходных веществ присоединяется не фосфатная группа, а аденозильная часть макроэрга. Тем самым резко повышается реакционная способность этого вещества. Иными словами, оно преобразуется в «активную форму», способную легко реагировать с другим веществом. В частности, путем передачи ему определенного фрагмента своей молекулы.

Рис. 2-9. Активация метионина (1), его использование в реакциях метилирования (2) и последующий гидролиз с освобождением гомоцистеина (3).

В качестве примера на рис. 2-9 приведена реакция активации метионина. Точнее, в данном случае повышенную реакционную способность приобретает не вся аминокислота, а только ее метильная группа, ковалентно присоединенная к атому серы.

Уникальность этой реакции заключается в том, что ей сопутствует отщепление от АТФ не одного и даже не двух, а всех трех фосфатных остатков: два из них освобождаются в форме пирофосфата (ФФ). а третий — в виде Фн (реакция 1). В результате аденозильный фрагмент молекулы АТФ оказывается присоединенным к атому серы метионина, делая весьма нестабильной связь этого атома с метальной группой. Катализирует весь этот процесс специальный фермент — метиоиин-аденозилтрансфера- за. Образующийся 8-аденозил метионин является главнейшим донором метальных фрагментов, переносимых различными метилтрансфе- разами на соответствующие акцепторы (А-Н на рис. 2-9). Теряя метальную группу, Б-аденозил- метионин превращается в Б-аденозилгомоцис- теин (реакция 2). Гидролиз этого метаболита (реакция 3) ведет к освобождению гомоцистеи- на (который может быть использоваи для регенерации метионина специальными ферментными системами).

Аналогично приведенным примерам происходит преобразование потенциала макроэр- гической связи АТФ и в другие формы энергии (механическую, осмотическую): и в этих случаях АТФ расщепляется до АДФ и Фн, но не путем простого гидролиза водой.

Таким образом, в энергетическом метаболизме АТФ выполняет роль своеобразного аккумулятора полезной энергии: АТФ образуется в клетках из АДФ и Ф„ за счет окисления органических молекул пищи (зарядка «аккумулятора») и распадается вновь до АДФ и Фн, отдавая свою энергию на все виды работы (разрядка «аккумулятора»).

Более того, АТФ является универсальным накопителем энергии. Его аналоги (ГТФ, УТФ и др.) образуются лишь в ограниченных объемах и утилизируются в довольно редких реакциях. Вместе с тем, все мононуклеотидные макроэрги тесно взаимосвязаны.

Специальные ферменты (нуклеозидмоно- фосфат/ш/шзы) катализируют обратимый перенос фосфатной группы (вместе с ее макроэрги- ческой связью) с АТФ на ГМФ, ЦМФ и т.д., превращая их в соответствующие дифосфаты. Последние, в свою очередь, за счет еще одной молекулы АТФ могут превращаться в свои трифосфатные формы (под действием нуклео- зиддифосфаткмняз). Можно сказать, существует целый «клуб» мононуклеотидов, члены которого легко обмениваются макроэргическими фосфатными группами.

Рис. 2-10. Образование и гидролиз циклического аденозин-3',5’-монофосфата (цАМФ) под действием аденилатциклазы (I) и цАМФ-фосфодиэстеразы (II) соответственно.

И здесь снова приходится отметить особую роль АТФ. Как уже отмечалось, его образование, обеспечиваемое реакциями окислительного катаболизма, происходит путем фос- форилирования молекул АДФ. Молекулы АМФ, образуемые во многих реакциях утилизации АТФ, непригодны для такого способа регенерации АТФ. Поэтому из всех нуклео- зидмонофосфаткиназ наиболее востребована аденилаткиназа; которая есть почти в любой клетке и катализирует обратимую реакцию образования двух молекул АДФ из АМФ и АТФ:

Представленная уравнением [2-1] аде- нилаткиназная реакция обеспечивает, по существу, регенерацию АДФ из АМФ. Иными словами, она необходима для возврата АМФ в энергетический кругооборот. Но есть у нее еще одна смысловая нагрузка: устранение мощного активирующего (или угнетающего) влияния, которое АМФ оказывает на ряд ключевых ферментов энергетического метаболизма (см. разделы 6.5.3 и 6.7.2).

ЦИКЛИЧЕСКИЕ ФОРМЫ МОНОНУКЛЕОТИДОВ

Крупным достижением биохимии явилось открытие аденшатцикпазы (1960). Этот фермент, встроенный в плазматическую мембрану с ее внутренней (цитоплазматической) стороны, катализирует отщепление пирофосфатного остатка (ФФ) от молекулы АТФ. Реакция эта, показанная на рис. 2-10, требует присутствия ионов М§2+. Необычность ее в том, что осуществляется она без участия воды или еще каких- либо молекул: фосфатная группа, остающаяся в 5-м положении рибозы, замыкается (после отделения ФФ) еще и на 3-ий углеродный атом той же рибозы (но уже не кислотоангидридной, как было, а сложноэфирной связью). Значит, появляется не моноэфир аденозина (как в обычном АМФ), а диэфирное соединение фосфатной группы и с 5-м, и с 3-м углеродными атомами его рибозы. В результате этого, наряду с тремя циклическими структурами обычной («линейной») молекулы АМФ, появляется еще один гетероцикл - шестичленный, включающий атом фосфора, два атома кислорода и трехуглеродный фрагмент рибозы (на рис. 2-10 атомы этого цикла выделены курсивом). Полное название этого необычного продукта - циклический аденозин-35'-мопофосфат. Обычно употребляют сокращенное название (цикло- АМФ) или краткое обозначение (цАМФ). Концентрация цАМФ в клетках на 3 порядка ниже уровня АТФ и составляет около 1 мкмоль/л.

Позднее был открыт аналогичный фермент (гуанилатциклазаХ превращающий ГТФ в пирофосфат и циклический гуанозин-35'-монофосфат (цГМФ).

Для нуклеозидтрифосфата отщепление ФФ означает потерю двух макроэргических связей (одна из них сохраняется в молекуле пирофосфата Н4Р2О5). Это указывает на высокую экзэргоничность процесса, обеспечивающую необратимое течение реакции в сторону образования цАМФ (или цГМФ). Отмеченная необратимость усиливается гидролизом ФФ до двух молекул Н3РО4, осуществляемым пиро- фосфатазой.

Тем не менее, циклические формы нуклео- зидмонофосфатов недолговечны. Будучи диэфирами, они легко гидролизуются до обычной («линейной») формы АМФ (ГМФ) под действием фосфодтстеразы (см. рис. 2-10), эффект которой тоже необратим. Известен ряд вариантов этого фермента, различающихся по предпочтению к цАМФ или к цГМФ, а также по чувствительности к регуляторным влияниям (в том числе - со стороны ионов Са2+).

Биологическое предназначение циклических нуклеотидов - выполнять роль вторичного посредника (см. раздел 1.9) в системах передачи внешнего сигнала от возбужденного им рецептора на те внутриклеточные макромолекулы, которые реализуют ответную реакцию клетки. Набор таких сигнальных путей относительно невелик.

Аденнлатцнклазная снстема - один из наиболее распространенных путей сигнальной трансдукции. Через нее осуществляют свое влияние многие гормоны, воздействующие на клеточные рецепторы. К их числу относятся адреналин (для которого известна серия разных адренорецепторов), глкжагон, соматостатин, паратгормон, вазопрессин, ряд тропных гормонов. Из-за сложности этой системы целесообразно подразделить ее работу на три последовательных этапа: организация выработки цАМФ; регулирование его концентрации в клетке; реализация конечных эффектов гормона.

Выработку цАМФ инициирует распознание рецептором соответствующей сигнальной молекулы. Сорбния ее на центре узнавания, имеющемся во внеклеточном участке рецептора, вызывает конформационную перестройку, которая охватывает и его внутримем- бранную часть, а также внутриклеточный домен. Более того, она вовлекает еще и особый регуляторный белок, примыкающий к рецептору со стороны цитоплазмы. Он состоит из трех разных мономеров (а. р и у) и обозначается как С-протеин, поскольку в его а-субъединице есть центр связывания молекулы гуанозинди- фосфата (ГДФ).

Изменение конформации в-протеина приводит, во-первых, к «отказу» от ГДФ с заменой его на ГТФ (имеющийся в цитозоле, как и другие мононуклеотиды). Во-вторых, комплекс а-субъединицы с ГТФ отделяется от остальной части С-протеина, получая возможность свободной миграции. Встретившись с одной из ближайших молекул аденилатциклазы, комплекс объединяется с нею, в результате чего фермент переходит в активную форму. Так осуществляется запуск ферментативной реакции превращения АТФ в цАМФ в ответ на стимуляцию рецептора. Интенсивность выработки цАМФ зависит от числа вовлеченных молекул аденилатциклазы и от уровня их активности, которая зачастую чувствительна к регуляторным влияниям таких факторов, как аденозин, Mg2+t Мп2+, Са24.

Регулирование концентрации цАМФ осуществляется двумя независимыми механизмами.

Один из них предотвращает бесконечную продукцию цАМФ в ответ на однократную («мимолетную») стимуляцию рецептора. Он обеспечивается способностью а-субъединицы в-протеина не только присоединять к себе молекулу ГТФ, но и гидролизовать ее до ГДФ и Фя. Эта ферментативная активность а-субъединицы очень невелика. Поэтому комплекс ее с ГТФ продолжает некоторое время пребывать в объединении с аденилатциклазой и поддерживать ее в активном состоянии, стимулируя выработку все новых порций цАМФ. Но как только гидролиз ГТФ свершится, а-субъеди- ница оказывается в комплексе не с ним, а с ГДФ. В такой форме она не может сохранять контакт с аденилатциклазой и покидает ее. В итоге фермент возвращается в неактивную форму и прекращает выработку цАМФ- Следовательно, комплекс а-субъединицы с ГТФ действует как своеобразный таймер: длительность стимулирующего действия на аденилатциклазу предопределена сроком, требуемым комплексу для самоинактивации (реализуемой путем гидролиза ГТФ).

Но и это еще не все. Расщепив ГТФ и удерживая возникший ГДФ, а-субъединица может теперь воссоединиться с покинутыми ею р- и у-мономерами, а реставрированный в итоге в-протеин способен вновь примкнуть к рецептору. Если тот уже успел освободиться от гормона, то на этом все и завершится: рецептор останется в готовности в очередной раз выполнить свою функцию распознания лиганда (при его новом появлении). Если же сигнальная молекула еще не успела покинуть рецептор, то «возвратившийся» к нему С-протеин сразу же подвергнется конформационной перестройке с заменой ГДФ на ГТФ, - и все повторится сначала. Значит, пока рецептор «занят» первичным посредником, а-субъединица будет снова и снова перемещаться от него к аденилатцик- лазе и обратно, обеспечивая продолжение выработки вторичного посредника (в данном случае - цАМФ).

Совершенно иной механизм контроля осуществляет фосфодиэстераза, которая, как уже отмечалось, гидролизует цАМФ до обычной («линейной») формы АМФ (см. рис. 2-10). Этим обеспечивается довольно быстрое снижение уровня цАМФ, накапливаемого в ходе гормональной стимуляции аденилатциклазной системы. Вместе с тем, различные формы фос- фодиэстеразы тоже являются объектами контроля со стороны ряда гормонов, включая те, что регулируют концентрацию ионов Са2+ в цитозоле (от которой сильно зависит ферментативная активность некоторых фоефодиэстераз). Влияют на этот фермент и отдельные экзогенные вещества. В частности, такие производные пурина, как кофеин и теофиллин, вызывают обратимое угнетение фоефодиэстераз. Тем самым они тормозят убыль цАМФ, имитируя состояние возбуждения соответствующих клеточных рецепторов.

Реализация внутриклеточных эффектов происходит путем влияния цАМФ на конформационное состояние определенных белков. Едва ли не единственной способностью этого вторичного посредника является его активирующее воздействие на протешкиназу А. Так обозначают группу ферментов, каждый из которых катализирует перенос фосфатного остатка с АТФ на тот или иной белок (точнее, на гидроксильную группу сери на или треонина в составе этого белка-«мишени»). В итоге образуется фосфорилированная форма «атакованной» макромолекулы:

Реакция эта протекает за счет энергии макроэргической связи АТФ и потому необратима. Гидролитическое расщепление образовавшейся в белке фосфоэфирной связи возможно под действием другого фермента - фосфопротеинфосфатазы. Эта реакция тоже необратима. Она осуществляет обратный переход фосфорилированного белка в его дефосфо- рилированную форму:

Смысл этих довольно простых преобразований в том, что они вызывают такую конфор- мационную перестройку белка, которая кардинально изменяет его функциональную актив


ность. Очень часто в роли избирательной «мишени» выступает определенный фермент, работоспособность которого усиливается (или тормозится) в результате фосфорилирования; отщепление фосфатной группы фосфопротеин- фосфатазой восстанавливает исходную активность. Нередко протеинкиназа фосфорилирует не сам фермент, а белок, являющийся его активатором или ингибитором. Наконец, некоторые цАМФ-зависимые протеинкиназы катализируют фосфорилирование так называемых факторов транскрипции, — особых белков, чья функция состоит в том, чтобы «открывать» либо «приостанавливать» доступ к информации, заключенной в определенных генах.

Описанный вариант вклада аденилатцик- лазной системы в преобразование внешних сигналов реализуется с участием (32адрено- рецепторов (типичных для печеночных клеток и скелетных мышц). Другой вариант сопряжен с а2-адренорецепторами. Они находятся в контакте с С-протеином иного строения, - таким, а-субъединица которого (в комплексе с ГТФ) оказывает не активирующее, а подавляющее действие на аденилатциклазу (следовательно, возбуждение а2-адренорецепторов не повышает, а снижает концентрацию цАМФ в клетке). В этом контексте уместно упомянуть и про (*1 -адренорецепторы, хотя связанный с ними в-протеин вообще не взаимодействует с аде- нилатциклазой: они инициируют совсем иной путь преобразования сигнала, а именно - фос- фоинозитидный каскад (раздел 3.3.4). Вторичными посредниками в нем выступают не циклические нуклеотиды, а совсем другие молекулы. Однако и здесь необходимым соучастником являются специфические протеинкиназы, групповое название которых - протеинкиназа С.

Гуаннлатцнклазная система необычна разнообразием своих воплощений. Вариант, наиболее близкий аденилатциклазному пути, оказался независимым от в-протеина. Ибо здесь сам клеточный рецептор (точнее, его цитоплазматический фрагмент) является ферментом - гуанилатциклазой. Она становится активной в результате конформационной перестройки рецептора, вызываемой первичным посредником. Молекулы цГМФ, генерируемые возбужденным рецептором, оказывают активирующее действие на протеинкиназу С. От про- теинкиназ А и С она отличается своей «клиентурой», - спектром белков, приемлемых для нее в качестве объекта фосфорилирования. К ним относятся, в частности, белки, обеспечивающие секрецию Ыа+ в почечных канальцах, а также сократительные белки гладких мышц. Через эти исполнительные молекулы реализуются главные рецептор-опосредуемые эффекты натрийуретического фактора предсердий (группа небольших пептидов, выделяемых при увеличении объема крови). Они сводятся к усилению почечной экскреции № (а с ним — и воды), расширению сосудов вследствие расслабления мышечных клеток их стенки и снижению артериального давления крови.

Совсем иначе функционирует гуанилат- циклазная система фоторецепторных клеток сетчатки глаза. Начать с того, что рецептор здесь локализован не в плазматической мембране, как обычно, а в стопке уплощенных мембранных мешочков (дисков), погруженных в цитозоль. В ней и сосредоточены молекулы трансмембранного белка родопсина (зрительный пурпур). Этот светочувствительный пигмент состоит из небольшого белка опсина и витамина А {ретинол), - точнее, одной из его альдегидных форм, обозначаемой как 11 -цис- ретиналь (рис. 2-11). Именно простетическая группа, обладая системой сопряженных двойных связей, поглощает квант света, который превращает ее в алло-трамс-ретиналь, отделяющийся от опсина из-за несоответствия его центру связывания. Сопоставление изомеров на рис. 2-11 показывает, что поглощенный фотон фактически преобразуется в движение концевого фрагмента полиеновой цепочки относительно остальной части молекулы.

Такое изменение геометрии ретиналя приводит к быстрому (~ 1 мс) освобождению а-субъединиц из ~ 500 молекул трансдуцина (специальный С-белок). Как и обычно, они связываются с ГТФ и выполняют роль биологического таймера. Однако эти субъединицы совершенно уникальны тем, что в комплексе с ГТФ активируют не протеинкиназу, а цГМФ- фосфодиэстеразу! Следовательно, возбуждение фоторецепторов ведет не к приросту молекул цГМФ, а к быстрому падению их концентрации в цитозоле. Это, в свою очередь, изменяет конформацию белков, образующих натриевые ка-

Рис. 2-11. Ретинол (витамин А) и его альдегидные формы.

налы в плазматической мембране. Наступающее уменьшение потока Иа+ в клетку приводит к увеличению электроотрицательности внутренней поверхности этой мембраны (относительно наружной), что воспринимается окончаниями зрительного нерва как сигнал к генерированию нервного импульса, который затем передается в мозг.

Гуанилатциклазная система фоторецепторов не только улавливает и преобразует световые сигналы, но и действует как очень эффективный фотоумножитель: поглощения единственного фотона достаточно для возбуждения всей светочувствительной клетки и возникновения нервного импульса. Готовность рецептора к восприятию нового фотона обеспечивается регенерацией 11-г/^с-ретинапя в серии ферментативных реакций. При этом алпо-транс- ретинапь сначала подвергается восстановлению до алло-/и/?янс-ретинола, который затем изомеризуется в 11-цис-ретинол с последующим окислением его спиртовой группы до альдегидной.

Наконец, еще один вариант гуанилатцик- лазной системы. Его реализует свободная форма фермента, растворенная в цитозоле. Не будучи связанной с мембранами, эта форма гуа- нилатциклазы функционирует сама по себе, вне зависимости от клеточных рецепторов. Она реагирует на простейшую из всех известных сигнальных молекул — оксид азота (N0), вырабатываемый многими типами клеток с помощью специальной ферментной системы (см. главу 5, рис. 5-47). Благодаря хорошей растворимости в липидах, оксид азота легко проникает через мембраны. Вместе с тем, он быстро (в течение секунд) окисляется ДО N02 И N03. Поэтому в качестве медиатора N0 успевает повлиять только на клетки, близкие к месту его выработки. Простетической группой растворимой гуанилатциклазы является гем (см. рис.

26), который очень легко улавливает молекулу N0, благодаря чему активность фермента может возрастать в сотни раз. Образующийся при этом цГМФ способствует расслаблению гладких мышц, снижению сосудистого тонуса. Впрочем, растворимая аденилатциклаза является, по-видимому, далеко не единственной мишенью оксида азота.

Тнрозннкнназная снстема заслуживает краткого описания в ряду других путей сигнальной трансдукции, хотя и обходится без привлечения циклических нуклеотидов. Она располагает рецепторами для большинства так называемых факторов роста и для некоторых гормонов, таких как инсулин. Каждый рецептор этой системы представляет собой трансмембранный белок, внешняя часть которого содержит центр распознавания сигнальной молекулы, а обращенный к цитоплазме фрагмент функционирует как фермент тирозииктаза. В отличие от других протеин киназ, она переносит фосфатную группу с АТФ на радикал тирозина, а не серина или треонина. Более того, модифицируемые ею остатки тирозина принадлежат не каким-либо белкам, а самому рецептору (его цитоплазматическому фрагменту). Иными словами, тирозинкиназа осуществляет аутофосфо- рилирование. Происходит оно в условиях активации фермента, вызываемой димеризацией рецептора (сближением соседних молекул), которая наступает под влиянием соответствующего гормона или иной сигнальной молекулы.

Множественное самофосфорилирование димерной тирозинкиназы стимулирует ее про- теинкиназную активность в отношении определенных белков цитоплазмы. Часть из них относится к ферментам, фосфорилироваиие которых изменяет их каталитическую активность и, следовательно, скорость соответствующего пути метаболизма. Результатом про- теинкиназного фосфорилирования других белков-мишеней становится «включение» того направления сигнального пути, которое ведет от мембранного рецептора к ядру клетки и завершается активацией определенного фактора транскрипции. Это сложный, зачастую многоступенчатый процесс, изученный пока не во всех деталях. Установлено, однако, что здесь нет вторичных посредников малого размера: все его звенья являются белками. Среди них — небольшой мономерный Кав-белок. Он аналогичен а-субъединице С-протеина других сигнальных систем, в том числе - по исполнению таймерной функции. Объединяясь с рядом других цитоплазматических белков (один из которых сначала сорбируется на фосфорилирован- ном рецепторе), Кав-белок (в комплексе с ГТФ) инициирует активацию каскада протеинкиназ серин/треонинового типа. Конечным звеном каскада становится фосфорилироваиие белка, контролирующего тот или иной участок молекулы ДНК. Такая нацеленность тирозинкиназ- ного пути на регуляцию генетического аппарата делает неудивительным тот факт, что аномалии белковых звеньев этого пути часто бывают он- когенными, приводя к неуправляемому делению клеток.



загрузка...