(сАМР) и циклический гуанозин-3',5'-монофосфат (cGMP). Синтез этих нуклеотидов в реакциях, катализируемых специфическими связанными с мембраной цикла-зами, описан в предыдущей главе (разд. 10.3).

В общем случае, как оказалось, внутриклеточные концентрации сАМР и cGMP претерпевают противоположно направленные изменения в ответ на один и тот же стимул. Так, делению клеток обычно предшествует увеличение внутриклеточной концентрации cGMP, в то время как увеличение синтеза сАМР, как правило, ин-гибирует деление и рост клеток. Несмотря на то что часто измеряют концентрации только либо того, либо другого циклического нуклеотида, для физиологической функции оказывается более важным отношение этих концентраций, поскольку, как полагают, каждый из указанных циклических нуклеотидов является активатором различных типов протеинкиназ (см. ниже).

Роль циклических нуклеотидов в регуляции метаболических процессов описана в нескольких последующих главах.

Внутриклеточные концентрации [сАМР] и [cGMP] регулируются также второй группой ферментов — цикло-нуклеотид—фосфо-диэстеразами, которые катализируют инактивацию сАМР и cGMP посредством гидролиза до 5'-АМР и 5'-GMP соответственно.

мв2+

сАМР (или cGMP) -? 5'-АМР или 5'-GMP

Концентрация сАМР в (сырых) тканях животных составляет 0,1—¦ 1,0 мкмоль/кг.

Свободный сАМР, вероятно, имеет короткий период полупревращения, что объясняется эффективностью действия и высокой активностью сАМР-фосфодиэстеразы. Концентрация сАМР в скелетной мышце кролика в состоянии покоя составляет от 0,2 до 0,3 мкмоль/л, т. е. приблизительно столько, сколько требуется для достижения 50% максимальной активности сАМР-зависимой протеинкиназы (см. ниже). Таким образом, изменения в концентрации сАМР регулируют активность протеинкиназы.

366

III. МЕТАБОЛИЗМ

Протеинкиназы связывают сАМР и cGMP с клеточным метаболизмом. Эти киназы катализируют перенос ?-фосфата АТР к гидроксидным группам серина или треонина разнообразных акцепторных белков, включающих гликогенсинтазу (разд. 15.3.8), киназу фосфорилазы Ь (разд. 15.3.8), рибосомные белки (гл. 26), гистоны (гл. 26), а также мембранные белки субклеточных органелл, таких, как митохондрии (гл. 12). Изменение активности ферментов в результате фосфорилирования в действительности и есть тот метаболический процесс регуляции, который осуществляется по сигналу, полученному после связывания регуляторного агента с мембранными рецепторами. Неферментные субстраты протеинкиназ, например рибосомные белки и гистоны, могут проявлять свое влияние посредством других механизмов, а именно через реакции, воздействующие на скорости синтеза специфических белков (гл. 25 и 41).

Многие протеинкиназы — это внутриклеточные ферменты, находящиеся в цитозоле. Однако установлено, что как киназная активность, так и субстрат локализуются на внешней плазматической мембране адипоцитов, фибробластов и трансформированных вирусом клеток млекопитающих. Локализация киназы и ее белкового субстрата в мембране может обеспечить действие механизма фосфорилирования и дефосфорилирования при взаимодействии клетки с ее окружением.

Вспомним, что протеинкиназы являются аллостерическими ферментами, содержащими два типа субъединиц — каталитическую С и регуляторную R (гл. 8). Комплекс CR каталитически неактивен. Когда аллостерический модулятор, например сАМР, связывается со специфическим центром на R, это сопровождается диссоциацией CR и образованием комплекса R—сАМР и свободной каталитически активной субъединицы С.

Была проведена полная или частичная очистка сАМР-зависи-мых протеинкиназ из ряда тканей. Очищенная протеинкиназа из сердца быка (мол. масса 280 ООО) состоит из каталитических субъединиц (мол. масса 42 000) и регуляторных субъединиц (мол. масса 55 000). Нативной формой фермента, по-видимому, является R4C2. Эта киназа катализирует внутримолекулярную реакцию, в которой до 2 молекул Р, переносится на серильные остатки в связывающем сАМР белковом (R) димере холофермента. Фосфорилирование R влияет на скорость реассоциации R и С (каталитическая субъединица киназы, см. разд. 8.7.2.2). Дефосфо-R реассо-циирует в 5—8 раз быстрее, чем фосфо-R. Дефосфорилирование R катализируется фосфопротеидфосфатазой, которая действует на фосфорилированный белок, связывающий сАМР (R), но не на фос-форилированный холофермент. Эти наблюдения говорят о том, что активность определенных протеинкиназ зависит от процессов фосфорилирования и дефосфорилирования, что составляет важный

Ц. ОБЩИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА

367

Т. гормон гормон

аЭенилагпциклаэа

АТР

РР,- + сАМР

2сАМР + Ил С

41-2 ——

неактивная киназа

:R4(eAMP)2 + 2 С

активная киназа

3.

4(еАМР)2:

5'-АМР

фосфос!иэстераза *" сАМР +

АТР

фермент (неактивный)

ADP

фермент—Pj (активный фермент)1

фосфатаза

Рис. 11.3. Схематическое изображение реакций, следующих за связыванием гормона с клеткой-мишенью. R4—2Р,- — фосфорилированная форма регуляторной субъединицы протеинкиназы, фермент Р,- — активный фосфорилированный фермент (ср. с. 279).

регуляторный механизм для ряда ферментов. Некоторые из этих ферментов обсуждаются в последующих главах. Киназа из скелетной мышцы описывалась ранее (гл. 8).

Зависимая от cGMP протеинкиназа из легких быка была очищена до гомогенности. Поскольку фермент (мол. масса 150 000) состоит нз субъединиц одинаковой молекулярной массы, то cGMP-зависимая протеинкиназа должна существенно отличаться от сАМР-зависимых протеинкиназ, состоящих из не сходных между собой сАМР-акцепторных и каталитических киназных субъединиц.

В большинстве тканей млекопитающих в цитозоле клеток присутствуют две сАМР-зависимые протеинкиназы — изоферменты ти-

363

III. МЕТАБОЛИЗМ

па I и II. Так, в печени описаны две различные киназы с одинаковым коэффициентом седиментации 6,8 S, но с неидентичными каталитическими субъединицами, которые можно дифференцировать посредством изоэлектрического фокусирования. В некоторых тканях, например в мышце кролика, удалось отделить четыре различные сАМР-зависимые протеинкиназы.

Два термостабильных белка, выделенных из сердца собаки, модулируют активность протеинкиназы. Один стимулирует активность cGMP-зависимой протеинкиназы, а другой ингибирует сАМР-зависимую протеинкиназу. Недавно были описаны дополнительные модуляторы активности этих киназ и внутриклеточной концентрации циклических нуклеотидов. Высокоочищенный термостабильный Са2+-связывающий фосфопротеид из мозга активирует как аденил-циклазу, так и циклонуклеотид—фосфодиэстеразу.

На рис. 11.3 приведены схемы описанных ранее реакций (разд. 11.2.1), посредством которых внеклеточный сигнал может быть переведен на язык внутриклеточных процессов путем изменений внутриклеточной [сАМР] и модуляции активности сАМР-зависимых протеинкиназ. Подобный механизм может регулировать внутриклеточную [cGMP] и активность cGMP-зависимых протеинкиназ.

Циклические нуклеотиды найдены у всех видов животных, которые подвергались исследованию, в бактериях и других одноклеточных организмах, но не были обнаружены в высших растениях.

11.3. Основные черты структуры и функции клетки

Основываясь на информации, полученной с помощью световой, фазово-контрастной и электронной микроскопии, гистохимических и цитохимических методов, а также при разрушении и разделении клеток на фракции (разд. 11.4.2.2), и сопоставляя ее с результатами физических и химических исследований субклеточных компонентов, удалось достичь более глубокого понимания специфических функций, которые выполняют в жизни клетки субклеточные орга-неллы. На рис. 11.4 представлена электронная микрофотография главных органелл гепатоцита крысы.

Гепатоцит крысы, достигающий 20 мкм в диаметре, имеет объем цитоплазмы ~5000 мкм3 и объем ядра ~ Vie—V20 объема цитоплазмы. Митохондрии в норме занимают 15—20% объема цитоплазмы, пероксисомы 1—2%, лизосомы 0,2—0,5%· Объем эндо-плазматической сети (ЭС) нельзя измерить из-за исключительно неправильной формы. Так или иначе, поверхность мембран этой сети может достигать 25 000 мкм2 для шероховатой ЭС и 15 000— 20 000 мкм2 для гладкой ЭС. Каждый гепатоцит содержит ~ 1000—2000 митохондрий, а также ~500 пероксисом и вдвое

Рис. 11.4. На этой электронной микрофотографии малого увеличения показан общий вид крысиного гепатоцнта. При более сильном увеличении можно наблюдать детали структуры органелл. В — желчный каналец и MV — микроворсинка на поверхности лакуны. Некоторые микроворсинки вблизи MV разрезали так, что они кажутся не связанными с клеткой. GL — плотные отложения, скопления гранул гликогена. ? — митохондрии, N — ядро, Nu — ядрышко, ? — пероксисомы, L — лизосомы, G — аппарат Гольджи и S — межклеточное пространство, отделяющее эту клетку от соседнего гепатоцита. ? — эндоплазматическая сеть. Х25 ООО. (Любезно предоставлен д-ром А. Б. Новиковым.)

24—1148

370

III. МЕТАБОЛИЗМ

меньше (~250) лизосом. В нем также имеются несколько миллионов рибосом, одна пара центриолей, большое, но точно неизвестное количество микротрубочек и микрофиламентов.

11.3.1. Плазматическая мембрана

Клетка млекопитающего заключена в оболочку — плазматическую мембрану, которая составляет значительную часть ее общей массы и до известной степени определяет ее форму. Мембрана является не только барьером между клеткой и внешней средой, но представляет собой работающее устройство, обеспечивающее относительное постоянство состава внутриклеточного объема. Наряду с этим плазматическая мембрана содержит специфические рецепторы для внешних возбудителей, присутствием которых могут объясняться такие разнообразные ответы, как ориентированное движение клетки (хемотаксис), стимуляция связанных в мембране ферментов, например вышеописанных циклаз, или генерация сигналов, которые могут быть химическими, например сАМР и cGMP, или электрическими, как в нервах (гл. 37). Плазматическая мембрана также является местом расположения специфических для клетки антигенов (гл. 29), которые во многих случаях характерны как для данного типа клеток, так и для вида млекопитающего в целом. Белки и специфические фермен