Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Ю.А.Овчинников

. Взаимодействие гормона с рецептором запускает цепь биохимических реакций, приводящих к характерному ответу клетки. В настоящее время установлено, что в большинстве случаев первым событием, происходящим в клетке после взаимодействия гормонов с их рецепторами, является активация или ингибирование мембранного фермента аденилатциклазы, катализирующего реакцию (см. с. 240).

Открытие аденилатциклазы и установление ее роли в механизме действия гормонов связано с именем американского биохимика Э. Сазерленда. В конце 50-х — начале 60-х годов Э. Сазерленд исследовал механизм активации адреналином и глюкагоном гликогенолиза (расщепления гликогена) в клетках печени. Он обнаружил, что эти гормоны непосредственно не влияют на комплекс растворимых ферментов печени, участвующих в гликогенолиэе, но после

Сазерленд (Sutherland) Эрл Унлбур

(1915—1974), американский биохимик. Окончил медицинскую школу университета им. Дж. Вашингтоне а Сент-Луисе (1942), с 1963 г.— профессор медицинской школы Вандербилтсвского университета е Нашвилле. Основные работы — по изучению углеводного обмена, механизма действия гормонов и лекарственных веществ. Установил, что ключевую роль в передаче гормонального сигнала осуществляет циклическая аденозин моно фосфорная кислота. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (1971).

240

инкубации мембран клеток печени с глюка го иом или адреналином в присутствии АТР в среде появляется термостабильный низкомолекулярный фактор, активирующий ферментативный комплекс. Э. Сазерленд идентифицировал его как циклический аденоэин-3',5'-монофосфат (сАМР). Затем было выяснено, что в мембранном препарате содержится фермент, синтезирующий сАМР из АТР н названный Э. Сазерлендом «аденилатциклазои» Как оказалось, фермент присутствует практически во всех клетках животных и имеет универсальное значение.

По современным представлениям, стимулируемая гормонами аденилатциклаза — это мембранная система, состоящая по меньшей мере из 3 индивидуальных компонентов: рецептора, каталитического компонента и регуляторных компонентов одного или нескольких типов, связывающих гуа ни новые нуклеотиды. При взаимодействии гормона с рецептором развивается сложная цепь событий, приводящая к увеличению или снижению активности аденилат циклазы в результате сопряжения между компонентами аденилат циклазной системы.

Схематически механизм действия аденилатциклазной системы представлен на рисунке 136. Процесс начинается с взаимодействия гормона с его рецептором, расположенным на внешней стороне клеточной мембраны. При этом индуцируются такие изменения в белке-ре цеп то ре, что он приобретает способность взаимодействовать со следующим компонентом системы — N-белком (N).

В клетках животных обнаружено по крайней мере 2 типа N-бел-ков, осуществляющих сопряжение между рецепторами и аденилатциклазои. Один из них, стимулирующий N белок (Ns), вктивирует аденилатциклазу. Другой — ингибирующин N-белок (N;) —снижает ее активность. Оба N-белка состоят из 3 субъединиц. а-Субъ-единица Ns имеет молекулярную массу 42 ООО — 45 ООО, р-субъедн-ница — 35000, а у-субъединица — около 5000. а-Субъедииица N, имеет молекулярную массу 41 000, в р- и у-субъединицы Nj очень мало отличаются от соответствующих субъединиц Ns или идентичны им.

Ns-Белок взаимодействует с рецепторами, активирующими 241

аденилатциклазу, Ni-белок — с рецепторами, ее ингибирующими.----" "

При образовании тройного комплекса гормон — рецептор — N-бе- Биологическая роль белков лок а субъединица N белка обменивает связанный с N белком GDP на GTP. При связывании GTP с а-субъединицей Ns белок приобретает способность взаимодействовать с каталитическим компонентом аденилатциклазы, мембранным ферментом с молекулярной

Гормон

Внеклеточное пространство

.............

Аденипашиклаэа

тттС^З^ртттттгтт

...........

АТР

р»

тттСОтеттт™

1

Рис. 136. Механизм действия аденилат

242 массой около 160 000 и активировать ее, при этом возрастает ско-

- рость синтеза сАМР. N-Белки обладают ГТФ-азной актианостью,

Белки и пептиды гидролиз связанного с а-субъединицей СТР до CDP переводит по-

следнюю в неактивное состояние, и она теряет саязь с аденилатцик-лазой. Система возвращается в исходное состояние, и для ее нового «запуска» необходимо взаимодействие гормона с рецептором. Ингибирование аденилатциклазы происходит при взаимодействии GTP с Nj, индуцированным соответствующим гормоном и рецептором.

Таким образом, взаимодействие гормона с его рецептором индуцирует процесс сопряжения в аденнлатциклазной системе, в результате которого активность аденилатциклазы возрастает или снижается, а в клетках изменяется содержание сАМР. Циклический аденозинмонофосфат выполняет роль универсального внутриклеточного «посредника» («аторого мессенджера», по Сазерленду), вызывая в клетке цикл превращений, индуцируемых гормоном. В частности, циклический AMP активирует сАМР-зааисимые протеинкиназы. Эти ферменты переносят терминальный остаток фосфата АТР на остатки серина и треонина субстратных белкоа. Протеинкиназы фосфорилируют многие белки, в частности гистоны, белки рибосом, ферменты, транспортные мембранные белки и т. п. Циклический AMP участвует в реализации биологического действия большого числа гормонов. К ним наряду с упоминавшимися уже адреналином и глюкагоном относятся: паратгормон, иротропин лютропин, фоллитропин, кальцитонин, кортикотропин, р-мелаио-тропин, серотонин, вазопрессин и др.

Гормоны могут оказывать свое действие на клетку не только через систему сАМР. В ряде случаев (ткреолиберин, вазопрессин н др.) механизм нх действия связан с образованием двух других внутриклеточных «посредников»: инозит- I, 4, 5-три-фосфата (IPi) и диацнлглицерина (ДГ). При активации гормонами (рис. 137)

Рис. 137. Иноэнтный механизм передачи гормонального сигнала.

243

Биологическая роль белков

сн, 1 СН, 1

сн2 1 1 СН2 I

сн 1 1 сн СНз 1 1 СН, 1

СНз 1 СН2 i 1 СН, 1 СН, 1

СН 1 1 CHj 1 СНг | 1 сн2 * 1

сн. 1 СН СН, 1 сн

1 II 1 II

СНа | СН СН, сн 1

СН: | 1 СНг I СН, 1 1 СНг 1

1 сн. 1 СН 1 СН, 1 СН

1 II 1 II

СНа I сн 1 СН, 1 сн

1 CHj 1 1 СНг I СНз 1 1 н сна

1 СН, 1 СН 1 СН, сн

1 II 1 и

СНг | сн фдэ сн, _| сн ^

СН? | сн, 1 СНг сн, 1

СНг 1 сн сн, 1 сн

1 II 1 II

СНг 1 сн 1 СНг 1 сн 1

1 СН 1 1 СНг 1 СН3 ¦ 1 сн, 1

СНг | СНг 1 СНэ 1 сн,

СНг | сн, | 1 сн2 1 1 CHj ¦

с=о 1 с=о 1 1 с=о 1 1 с=о

о 1 1 о 1 о 1 1 о

1 сн.- — СН-СН, 1 СН,- 1 —сн—сн.

I

он

244 рецепторов сигнал переносится соответствующим N-белком на фосфодиэстеразу

_ (ФДЭ) фосфатилилинозит 4 5 дифосфата Этот фермент расщепляет присутствую-

Белки и пептиды шни в плаэматических мембранах в сравнительно небольших количествах фо фа

тидилинозит-4,э"-дифосфат (PIPj) с образованием двух продуктов— 1ра и ДГ. 1Р поступает в цитоплазму и индуцирует освобождение из везикул ндоплазмати ческого ретикулума запасенного там Са Кальций активирует протеннкиназу (СаМ киназа) ДГ оставаясь в мембране, взаимодействует со специфичной фосфо илндзави имой протеинкмназой (С-киназой) и при участии мембранного липида фосфатидилсерина активирует ее. Обе кинаэы фосфорилируют различные белковые субстраты, в основном мембранные белки.

Действие Са2+ не ограничивается его влиянием на активность протеинкиназы Концентрация ионов Са2 h в цитоплазме нестимули-рованной клетки очень низка и в различных клетках составляет 10-в — 10 ' М. При взаимодействии гормонов с рецепторами внутриклеточная концентрация Са возрастает в десятки раз, и в результате активируются или ингибируются определенные биохимические процессы в клетке.

В большинстве случаев Са как своеобразный «мессенджер» влияет на клеточные процессы не непосредственно, а в основном через активацию им внутриклеточного рецептора — белка кальмодулина. Этот белок был впервые обнаружен в тканях мозга американским исследователем В. Ченгом по его способности активировать фосфодиэстеразу сАМР. Позднее кальмодулин был найден практически во всех растительных и животных тканях. Кальмодулин из мозга млекопитающих — это белок с молекулярной массой 16 790, его первичная структура была установлена в 1980 г. (рис. 138). Кальмодулин — очень кислый белок (рН 3,9 — 4,3) благодаря тому, что около 30% входящих в его состав остатков приходится на долю аспарагиновой и глутаминовои кислот. Этим и объясняется его высокое сродство к Са2^. В молекуле кальмодулина 4 связывающих Са2^ центра с аысокогомологичной последовательностью. При связывании Са2 f кальмодулин претерпевает конформационное превращение: гх-спирализация молекулы сильно возрастает. В таком измененном состоянии сродство кальмодулина к его мишеням — многочисленным ферментам и другим биологически высокоактивным белкам клетки увеличивается и он оказывается способным влиять на их активность.

Механизм действия многих гормонов пока не установлен с полной достоверностью. Так, например, предполагается, что инсулин действует при посредстве специфического пептида. Имеются данные, что для некоторых гормонов вторичным «мессенджером» служит циклический гуанозин-3',5'-монофосфат.

Биосинтез гормонов

Гормональные пептиды и белки после биосинтеза в клетках эндокринных желез должны проникнуть через клеточную мембрану, чтобы выйти в русло крови и достигнуть соответствующей мишени. Однако клеточные мембраны являются непреодолимым барьером для свободной диффузии белков. Каким же образом клетка выводит а кроаь белкоаые молекулы, предназначенные «на экспорт»?

В конце 60-х годов было установлено, что на рибосомах, прикрепленных к эндоплазматическому ретикулуму происходит синтез белков, выводимых клеткой во анешнюю среду. Американские ученые Г. Блобел и Д. Сабатини в 1975 г. выдаинули гипотезу, объясняющую, каким образом происходит перенос через мембрану белков, синтезируемых на таких рибосомах (рис. 139). Синтез секретируемого белка начинается с особой последовательности аминокислот, названной Г. Блобелом «сигнальным пептидом». Эта последоаательноеть необходима для фиксации рибосомы на мембране, откуда следует, что сигнальный пептид должен иметь гидрофобный характер. Взаимодействие сигнального пептида с мембранами аызыаае агрегацию определенных рецепторных белков, саязывающих большую субъединицу рибосомы и формирующих

245

Биологическая роль белков

Блобел (Blobel) Гюнтер (р. 1936), американский биомимик. Окончил Тюбин генскии университет (1960), с 1976 г.— профессор Рокфеллеровского университете. Известен работами по изучению механизмов биосинтеза белков. Совместно с Д. Сабатини высказал гипотезу о наличии-сигнальной последовательности во вновь синтезируемых белках («сигнальная гипотеза»).

Сабатини (Sabatlnl) Дз ид Д. (р. 1931). американский биохимик. Образование получил в университете в Росарио (Аргентина), с 1972 г.— профессор Нью-Йоркского университета. Основные работы — по изучению биохимии и структурной организации внутриклеточных органелл. Совместно с Г. Блобелом высказал гипотезу о наличии сигнальной последовательности во вновь синтезируемых белках. Идентифицировал белки, участвующие в связывании рибосом не мембране эндо плазматического ретикулума

246

Белки и пептиды

Вест (Best) Чарльз Герберт (р. 1899). квнвдскии физиолог. Окончил Торонтский университет (1921), с 1941 г.— руководитель отдела медицинских исследований Института им. Ф. Бантинга и Ч. Баста Торонтского университета. Основные работы посвящены изучению обмена веществ и физиологии гормонов. Совместно с Дж. Мак ео дом и Ф. Бантингом выполнил работы по выделению инсулина (1922) и разработке метода лечения сахарного диабета.

канал, через который проходит сигнальный пептид и весь синтезируемый белок. После фиксации рибосомы на мембране и образования канала необходимость в сигнальной последовательности исчезает и она отщепляется особым ферментом — «сигнальной пепти-дазой» Поэтому при определении последовательности аминокислот в полностью синтезированной молекуле гормона не удается обнаружить в нем наличие сигнального пептида. После завершения синтеза белковой цепи рибосома освобождается и уходит в цитоплазму, канал ликвидируется, а полностью синтезированный пептид или белок оказывается вне матрикса цитоплазмы. Он поступает в аппарат Гольджи или в запасающие гранулы, а затем секретируется клеткой в среду. Г. Блобел назвал белок, имеющий в своем составе сигнальный пептид, прегормоном.

Гипотеза Г. Блобела была подтверждена последующими исследованиями. Прегормоны с сигнальными пептидами были идентифицированы при изучении биосинтеза белка в бесклеточных системах, т. е. в системах, содержащих рибосомы, все необходимые кофакторы для синтеза белка и иРНК, кодирующую, естественно, всю белко-аую последовательность, включая сигнальный пептид. В таких системах отсутствуют мембраны и связанная с ними сигнальная пептидаза, поэтому отщепления сигнального пептида не происходит. Ниже приведены сигнальные последовательности некоторых белковых гормонов:

MetY

Asn YSer (Gin

-(eiy Yfhr (L«u j Leu |i Leu Leu | Mel , Met Se, ) A,n,_

-.Leu fLeuJPhe , Cys Gin Asn | Val ) Gin j ThrJ Leu,- .

Препролактин

"".aeeW^ jib. etaeY. -— —

X Leu Lyi (ма1> X (Ph. У Leu Yphe )( )( Leu )-

-r^Jj Jleu :l»u J V* TLeuYlrp) Glu (Froj^L^Pro)-

Л * i

Ala i Gin Ale ( Phe - - - •

Препроинсулин

Mart (Met' Ser ^Ale I Lyi (Aip | Met I Val Lyi V.I

.eeeVeetb. at»b etSVetSa. .•^.etBV ' eteetetSb Mel lie ' Val Met | Leu ! Ala He Cyl , Phe I Leu

-i, j 7 y. ^ ^ ^ a

JlArgXser /AspXgIu — ( Ly, ( Ser Val (Lyi\ Ly»J[ Arg.i---(

Ala-

Препропарат гормон

Анализ сигнальных последовательностей этих и некоторых других 247

секретируемых белков показал, что для них, как и предполагал--

Г. Блобел, характерно довольно высокое содержание гидрофобных Биологическая роль белков аминокислотных остатков. *

Многие гормоны синтезируются В виде предшественников — Рис. 139. Схема биосинтеза белковых

прогормонов. В виде прогормонов образуются инсулин, паратгормон, гормонов, липотропин и другие белки. Функциональная роль дополнительной последовательности аминокислот у предшественников гормонов по-видимому, в каждом случае своя. Например, наличие С-пептида в проинсулине необходимо для правильной укладки в пространстве молекулы в процессе ее биосинтеза, для замыкания соответствующих дисульфидных связей между будущими цепями А и В инсулина. Значительные размеры С-пептида связаны с тем, что он должен увеличивать растворимость синтезированной молекулы инсулина. После того как вновь синтезированная молекула проиисулина из-за высокой растворимости диффундирует в цистерны аппарата Гольджи, там происходит отщепление С-пептида ферментом трип-си нового типа и образуется уже окончательная форма молекулы — биологически активный инсулин.

Представители белковых гормоно

страница 33
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (11.1Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(23.08.2017)