Биологическая химия - часть 72

Рис. 8.7. Аллостерическая регуляция гликогенфосфорилазы.

Второй тип – аллостерическая регуляция. Она основана на реакциях

аденилирования–деаденилирования субъединиц гликогенфосфорилазы b

(соответственно активирование–инактивирование). Направление реакций

определяется отношением концентраций АМФ и АТФ, присоединяющихся

не к активному центру, а к аллостерическому центру каждой субъединицы

(рис. 8.7).

В работающей мышце накопление АМФ, обусловленное тратой АТФ,

вызывает аденилирование и активирование фосфорилазы b. В покое, наобо-

рот, высокие концентрации АТФ, вытесняя АМФ, приводят к аллостериче-

скому ингибированию этого фермента путем деаденилирования.

цАМФ и протеинкиназа играют центральную роль в гормональной

регуляции синтеза и распада гликогена в печени (рис. 8.8). Подробно

о химических превращениях гликогена см. в главе 10 *.

Третий тип – кальциевая регуляция, основанная на аллостерическом

активировании киназы фосфорилазы b ионами Са

2+

, концентрация которых

повышается при мышечном сокращении, способствуя тем самым образова-

нию активной фосфорилазы а.

Гуанилатциклазная мессенджерная система

Довольно долгое время циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ) рас-

сматривался как антипод цАМФ. Ему приписывали функции, противопо-

ложные цАМФ. К настоящему времени получено много данных, что цГМФ

принадлежит самостоятельная роль в регуляции функции клеток. В частно-

сти, в почках и кишечнике он контролирует ионный транспорт и обмен

воды, в сердечной мышце служит сигналом релаксации и т.д.

Биосинтез цГМФ из ГТФ осуществляется под действием специфической

гуанилатциклазы по аналогии с синтезом цАМФ:

* Гликогенфосфорилаза печени также регулируется гормонами (адреналин и глюкагон) и,

кроме того, концентрацией в крови глюкозы, которая оказалась, как и глюкозо-6-фосфат,

аллостерическим ингибитором фосфорилазы а; связывание глюкозы (когда уровень глюкозы

повышается в крови) с аллостерическим участком активной фосфорилазы а вызывает ряд

конформационных изменений структуры, способствуя активированию фосфатазы фосфорила-

зы а (см. рис. 10.1), соответственно дефосфорилированию фосфорилазы а и превращению ее

в неактивную фосфорилазу b.

293

2АМФ

2АМФ

АМФ

АМФ

Фосфорилаза b

неактивная

Фосфорилаза b

активная

ГТФ

Гуанилатциклаза

цГМФ + РР

i

Рис. 8.8. Схематическое выражение центральной роли цАМФ и протеинкиназы

в гормональной регуляции синтеза и распада гликогена.

Адреналинрецепторный комплекс: АЦ - аденилатциклаза, G - G-белок; С и R - соответственно

каталитические и регуляторные субъединицы протеинкиназы; КФ - киназа фосфорилазы b

Ф - фосфорилаза; Глк-1-P - глюкозо-1-фосфат; Глк-6-P - глюкозо-6-фосфат; УДФ-Глк - ури-

диндифосфатглюкоза; ГС - гликогенсинтаза.

Известны четыре разные формы гуанилатциклазы, три из которых

являются мембраносвязанными и одна – растворимая открыта в цитозоле.

Показано, что мембраносвязанные формы (мол. массой ~ 180000) состоят

из 3 участков: рецепторного, локализованного на внешней поверхности

плазматической мембраны; внутримембранного домена и каталитического

компонента, одинакового у разных форм фермента. Гуанилатциклаза от-

крыта во многих органах (сердце, легкие, почки, надпочечники, эндотелий

кишечника, сетчатка и др.), что свидетельствует о широком ее участии

в регуляции внутриклеточного метаболизма, опосредованном через цГМФ.

Мембраносвязанный фермент активируется через соответствующие рецеп-

294

Адреналин

Са

2+

АЦ

G

АТФ

РР

i

цАМФ

5'-АМФ

ПРОТЕИНКИНАЗА

С

R

АТФ

Киназа Ф b

неактивная

P

i

Фосфатаза

КФ b

КФ b

активная

Н

2

О

2АТФ

2АДФ

АДФ

С

R

Фосфорилаза

b

неактивная

Фосфорилаза

а

активная

Р

i

АТФ

АДФ

УДФ

УТФ

РР

i

ГС

активная

ГС

неак-

тивная

2Р

i

2Н

2

О

Фосфатаза

Ф а

Са

2+

УДФ-Глк

Глк-6-

Глк-1

Глюкоза

Кровь

Р

i

Н

2

О

Фосфатаза

ГС

ИНСУЛИН

торы короткими внеклеточными пептидами (18–20 аминокислотных остат-

ков), в частности гормоном  п р е д с е р д н ы м  н а т р и й у р е т и ч е с к и м пеп-

тидом (АНФ), термостабильным токсином грамотрицательных бактерий

и др. АНФ, как известно, синтезируется в предсердии в ответ на увеличение

объема крови, поступает с кровью в почки, активирует гуанилатциклазу

(соответственно повышает уровень цГМФ), способствуя экскреции Na

и воды. Гладкие мышечные клетки сосудов также содержат аналогичную

рецептор-гуанилатциклазную систему, посредством которой связанный с

рецептором АНФ оказывает сосудорасширяющее действие, способствуя

снижению кровяного давления. В эпителиальных клетках кишечника акти-

ватором рецептор–гуанилатциклазной системы может служить бактериаль-

ный эндотоксин, который приводит к замедлению всасывания воды в ки-

шечнике и развитию диареи.

Растворимая форма гуанилатциклазы (мол. масса 152000) является

г е м с о д е р ж а щ и м  ф е р м е н т о м , состоящим из 2 субъединиц. В регуляции

этой формы гуанилатциклазы принимают участие нитровазодилататоры,

свободные радикалы – продукты перекисного окисления липидов. Одним из

хорошо известных активаторов является эндотелиальный фактор (EDRF),

вызывающий релаксацию сосудов. Действующим компонентом, естествен-

ным лигандом, этого фактора служит  о к с и д  а з о т а NO. Эта форма

фермента активируется также некоторыми нитрозовазодилататорами (нит-

роглицерин, нитропруссид и др.), используемыми при болезнях сердца; при

распаде этих препаратов также освобождается NO.

Оксид азота образуется из аминокислоты аргинина при участии сложной

Са

2+

-зависимой ферментной системы со смешанной функцией, названной

NO-синтазой:

Оксид азота при взаимодействии с гемом гуанилатциклазы способствует

быстрому образованию цГМФ, который снижает силу сердечных сокраще-

ний путем стимулирования ионных насосов, функционирующих при низких

концентрациях Са

2 +

. Однако действие NO кратковременное, несколько

секунд, локализованное – вблизи места его синтеза. Подобный эффект, но

более длительный оказывает нитроглицерин, который медленнее освобож-

дает NO.

Получены доказательства, что большинство эффектов цГМФ опосредо-

вано через цГМФ-зависимую протеинкиназу, названную  п р о т е и н к и н а -

зой G. Этот широко распространенный в эукариотических клетках фермент

получен в чистом виде (мол. масса 80000). Он состоит из 2 субъединиц –

каталитического домена с последовательностью, аналогичной последова-

тельности С-субъединицы протеинкиназы А (цАМФ-зависимой), и регуля-

торного домена, сходного с R-субъединицей протеинкиназы А (см. ранее).

Однако протеинкиназы А и G узнают разные последовательности белков,

регулируя соответственно фосфорилирование ОН-группы серина и треони-

295

Аргинин

NO-синтаза

Цитруллин

О

2

НАДФН + Н

+

НАДФ

+

+

NО

на разных внутриклеточных белков и оказывая тем самым разные биологи-

ческие эффекты.

Уровень циклических нуклеотидов цАМФ и цГМФ в клетке контроли-

руется соответствующими  ф о с ф о д и э с т е р а з а м и , катализирующими их

гидролиз до 5'-нуклеотидмонофосфатов и различающимися по сродству

к цАМФ и цГМФ. Выделены и охарактеризованы растворимая кальмоду-

линзависимая фосфодиэстераза и мембраносвязанная изоформа, не регули-

руемая Са

2+

 и кальмодулином.

Са

2+

-мессенджерная система

Ионам Са

2+

 принадлежит центральная роль в регуляции многих клеточных

функций. Изменение концентрации внутриклеточного свободного Са

2+

является сигналом для активации или ингибирования ферментов, которые

в свою очередь регулируют метаболизм, сократительную и секреторную

активность, адгезию и клеточный рост. Источники Са

2+

 могут быть

внутри- и внеклеточными. В норме концентрация Са

2+

 в цитозоле не

превышает 10

–7

 М, и основными источниками его являются эндоплазмати-

ческий ретикулум и митохондрии. Нейрогормональные сигналы приводят

к резкому повышению концентрации Са

2+

 (до 10

–6

 М), поступающего как

извне через плазматическую мембрану (точнее, через потенциалзависимые

и рецепторзависимые кальциевые каналы), так и из внутриклеточных

источников. Одним из важнейших механизмов проведения гормонального

сигнала в кальций–мессенджерной системе является запуск клеточных реак-

ций (ответов) путем активирования специфической Са

2 +

-кальмодулин-

з а в и с и м о й  п р о т е и н к и н а з ы . Регуляторной субъединицей этого фермен-

та оказался Са

2+

-связывающий белок  к а л ь м о д у л и н (мол. масса 17000).

При повышении концентрации Са

2+

 в клетке в ответ на поступающие

сигналы специфическая протеинкиназа катализирует фосфорилирование

множества внутриклеточных ферментов – мишеней, регулируя тем самым

их активность. Показано, что в состав киназы фосфорилазы b, активируе-

мой ионами Са

2+

, как и NO-синтазы, входит кальмодулин в качестве

субъединицы. Кальмодулин является частью множества других Са

2+

-свя-

зывающих белков. При повышении концентрации кальция связывание Са

2+

с кальмодулином сопровождается конформационными его изменениями,

и в этой Са

2+

-связанной форме кальмодулин модулирует активность

множества внутриклеточных белков (отсюда его название).

К внутриклеточной системе мессенджеров относят также производные

фосфолипидов мембран эукариотических клеток, в частности фосфорили-

рованные производные фосфатидилинозитола. Эти производные освобож-

даются в ответ на гормональный сигнал (например, от вазопрессина или

тиротропина) под действием специфической мембраносвязанной фосфо-

л и п а з ы С. В результате последовательных реакций образуются два потен-

циальных вторичных мессенджера – диацилглицерол и инозитол-1,4,5-три-

фосфат.

Биологические эффекты этих вторичных мессенджеров реализуются

по-разному. Действие диацилглицерола, как и свободных ионов Са

2+

,

опосредовано через мембраносвязанный Са-зависимый фермент протеин-

к и н а з у С, которая катализирует фосфорилирование внутриклеточных

ферментов, изменяя их активность. Инозитол-1,4,5-трифосфат связывается

со специфическим рецептором на эндоплазматическом ретикулуме, способ-

ствуя выходу из него ионов Са

2+

 в цитозоль.

296