WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
БИОЛОГ ИЯ БИОЛОГ ИЯ КАСКАДЫ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ И ИХ РОЛЬ В БИОЛОГИИ Ф. И. АТАУЛЛАХАНОВ Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова ЧТО ТАКОЕ ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАСКАД ENZYMATIC CASCADES В биологии широко распространены каскады ферментативных реакций. Такой каскад, как правило, состоит AND THEIR ROLE IN BIOLOGY из нескольких однотипных ферментативных стадий.

Субстратом на каждой стадии является некий белок, F. I. ATAULLAKHANOV который в результате реакции превращается в активный фермент. Этот фермент, в свою очередь, используOne of the most interesting topics of modern ет другой белок в качестве субстрата, превращая его в biology – the cascades of enzymatic reactions активный фермент [1]. И так несколько раз. Рассмотand their roles in regulating wide variety of рим несколько примеров.

biological processes is described. The funcНа рис. 1, а показан каскад, который называется tional diversity of the enzymatic cascades and МАР-киназным каскадом [2]. Он состоит из трех проdifferent modes of their regulation are dis- теинкиназ. Протеинкиназы – ферменты, способные катализировать реакцию присоединения фосфата к осcussed using two pathways as an example: the татку серина, треонина или тирозина в молекуле белка, regulatory cascade of glycogen catabolism and образуя фосфорилированную форму белка. При этом the cascade of blood clotting reactions.

меняется конформация молекулы и белок активируется или ингибируется. Фосфорилирование – это удобСтатья посвящена одному из наиболее ин- ный способ управлять активностью белков. Он очень широко распространен в клетке. Похоже, что фосфотересных объектов современной биологии – рилирование – это один из главных способов регулякаскадам ферментативных реакций и их ции внутриклеточных процессов, и в первую очередь роли в регуляции различных биологических регуляции процессов считывания генетической инпроцессов. Функциональное разнообразие формации. Чтобы оценить масштабы такой регуляции, ферментативных каскадов и различные достаточно заметить, что, по разным оценкам, существует от 2000 до 10 000 разных протеинкиназ. При этом моды их регуляции разобраны на двух присейчас уже известно, что количество всех белков в эумерах: каскад реакций, управляющих гликокариотической клетке, например дрожжевой, не прегенолизом в клетке, и каскад реакций свервышает 6000.

тывания крови.

Последняя стадия изображенного на рис. 1 каскада – образование активной киназы, называемой МАРкиназой. Этот фермент фосфорилирует и тем самым меняет активность нескольких белков-мишеней. МАРкиназа становится активной киназой только после того, как к ней будет присоединен фосфат. Для того чтобы активировать МАР-киназу, в клетке существует специализированная киназа, которая умеет фосфорилировать www.issep.rssi.ru только МАР-киназу: киназа МАР-киназы. Исходно этот фермент неактивен, как и МАР-киназа, и тоже СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 6, №7, Атауллаханов Ф.И., © БИОЛОГ ИЯ а Активация б P Киназа киназы киназы ATP ADP MAP-киназы P Киназа киназы ATP ADP MAP-киназы P Киназа MAP-киназы ATP ADP P MAP-киназа Белки-мишени Время Рис. 1. Примеры ферментативных каскадов и кинетика каскадного процесса.

а – МАР-киназный каскад. Каскад начинается внеклеточным сигналом, вызывающим в клетке изменение концентрации Са и активацию С-киназы – протеинкиназы, фосфорилирующей первый фермент каскада. Другим входом может быть активация RAS-белка, которая тоже приводит к активации первого фермента каскада. Каскады такого типа включают множество разнообразных процессов в клетке, фосфорилируя разные белки-мишени.

Голубым цветом окрашены неактивные формы ферментов, красным – активные. Оранжевые стрелки изображают каталитическое действие ферментов, черные – протекающие реакции. Р в красном кружочке – остаток фосфорной кислоты, присоединенный к молекуле белка. Этот остаток фосфорной кислоты принято называть фосфатом или фосфатным остатком. На каждой ступени каскада избирательно происходит реакция присоединения фосфатного остатка к молекуле белка, являющегося ферментом для следующей ступени.

б – Кинетика нарастания концентрации конечного продукта работы ферментативного каскада активируется присоединением фосфата. Для этого в белке-мишени. Изредка таких мишеней бывает неклетке существует еще одна протеинкиназа: киназа ки- сколько. В результате избирательного протеолиза сильназы МАР-киназы. Она исходно тоже неактивна, но но меняется конформация фермента, что, в свою очеактивируется иначе. Ее активирует сигнал извне, про- редь, меняет его активность. В протеолитических ходящий через цепочку внутриклеточной сигнализа- каскадах белком-мишенью, как правило, служат белции, связанную со вторичными мессенджерами. ки, являющиеся предшественниками протеаз.

Рассмотрим подробнее на одном из примеров, как ЧТО МОЖЕТ И ЧЕГО НЕ МОЖЕТ работает такая передача сигнала. МАР-киназный касФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАСКАД кад используется клеткой для регуляции транскрипции генов в ответ на изменения в окружающей среде. В наИз рассмотренных примеров видна общая структура, стоящее время уже известно несколько таких каскадов, характерная для всех каскадов. У каскада есть вход – состоящих из очень похожих белков и выполняющих сигнал, активирующий первый фермент каскада, и разные задачи.

есть выход – концентрация активной формы какогоДругой широко распространенный тип ферментов, либо белка, чаще всего тоже фермента. Возникает воиспользуемых природой в ферментативных каскадах, – прос: “Почему бы входному сигналу не действовать протеазы. Протеазные каскады используются для свер- прямо на активность выходного фермента” Казалось, тывания крови, работают в системе комплемента – од- результат был бы тот же. Общепринятый ответ на этот ной из защитных систем иммунной системы, управляют вопрос – каскад реакций нужен для усиления сигнала.



процессами формирования пространственных структур И действительно, появление одной активной молекув развивающихся зародышах [3], участвуют в апоптозе – лы фермента приводит к образованию множества мопрограммированной гибели клетки. Как правило, про- лекул продукта. Если продукт, в свою очередь, является теолитические каскады состоят из высокоспециализи- ферментом, он произведет множество молекул своего рованных ферментов, умеющих избирательно расщеп- продукта. Таким образом, в результате работы каскада лять только одну связь и только в одном определенном в ответ на появление одной молекулы входного сигнала АТАУЛЛАХАНОВ Ф.И. КАСКАДЫ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ И ИХ РОЛЬ В БИОЛОГИИ Концентрация продукта БИОЛОГ ИЯ образуется множество молекул “сигнального” продук- В рамках одной статьи трудно рассказать обо всех та, концентрацию которого можно рассматривать как интересных свойствах каскадов, поэтому ограничимся выходной сигнал. только двумя примерами. Будут рассмотрены включение–выключение энергетических резервов клетки, заДействительно, ферментативный каскад является пасаемых в виде гликогена, и формирование импульса мощным усилителем. Однако в отличие от усилителя свертывания крови. И в том и в другом случае регулязвука, которым мы пользуемся, слушая музыку, и в коция процесса и формирование определенной динамитором усиление легко регулируется, ферментативный ки ответа осуществляются каскадом ферментативных усилитель скорее похож на снежную лавину или ядерреакций.

ную реакцию в атомной бомбе. Кстати, уравнения, описывающие все эти процессы, очень похожи. ДостаМОБИЛИЗАЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ точно случайной флуктуации, случайного появления сколь угодно слабого активирующего сигнала, и спустя РЕЗЕРВОВ В МЫШЕЧНОЙ КЛЕТКЕ некоторое время все ферменты каскада будут активиРассмотрим регуляцию распада гликогена в мышечных рованы. На рис. 1, б показано, как растет концентраклетках (рис. 2). Гликоген, полимер глюкозы, – основция активных молекул, являющихся продуктом работы ная форма запасания питательных веществ в клетке [2].

каскада (величина выходного сигнала в терминах теоПо сути гликоген – это химическая форма депонироварии регулирования). Это типичный самоускоряющийния глюкозы. Пути синтеза и распада гликогена дося процесс – со временем растет не только количество вольно сложны, но мы не будем рассматривать все репроизведенного продукта, но и скорость его образоакции, поскольку нас интересует только вопрос: “Как вания. Поэтому каскад не может работать как проклетка включает распад гликогена, когда возрастают порциональный усилитель, адекватно преобразующий энергетические потребности клетки” Главным звеном входной сигнал в также меняющийся во времени, но управления распадом гликогена является гликогенфосусиленный выходной сигнал.

форилаза – фермент, катализирующий фосфоролитиС точки зрения теории регулирования исходное ческое образование глюкозо-1-фосфата из гликогена.

неактивированное состояние такой конструкции являЗатем глюкозо-1-фосфат может быстро превратиться в ется неустойчивым. Такая система в реальной жизни метаболит гликолиза или глюкозу. Активация гликовсегда будет полностью активирована. Удержать ее в генфосфорилазы происходит в результате ее фосфоринеактивированном состоянии так же трудно, как уравлирования. Это фосфорилирование является конечновесить шарик на кончике яйца. Поэтому реальные ным продуктом работы каскада протеинкиназ. А все каскады в биологии имеют дополнительные приспоначинается с возрастания уровня адреналина в крови.

собления, дополнительные связи и реакции, которые позволяют каскаду устойчиво существовать в неактиОт гормона к началу каскада. Циклический АМФ вированном состоянии. Зачем же нужны каскады, если Когда предстоит большая физическая работа, оргадля них характерна неустойчивость Неустойчивость низм мобилизует ресурсы, вырабатывая адреналин (см.

каскада – важный активный элемент конструктора, из рис. 2). Адреналин разносится по организму и взаимокоторого можно создавать устройства со сложной кидействует с соответствующими рецепторами на мышечнетикой. Например, с помощью каскада легко сделать ных клетках. Это приводит к серии процессов, происховключатель – триггер, генератор импульсов опредедящих на мембране клетки, которые заканчиваются ленной формы, или генератор колебаний. Более того, активацией аденилатциклазы и синтезом одного из недавно стало понятно, как с помощью каскадов приглавных внутриклеточных гормонов (вторичных месрода может формировать сложные пространственные сенджеров) – циклического аденозинмонофосфата конструкции – задача крайне важная в процессах про(цАМФ). Циклический АМФ, в свою очередь, активистранственной дифференцировки многоклеточных оррует цАМФ-зависимую протеинкиназу. Этот фермент ганизмов.

фосфорилирует несколько ферментов в клетке, обесПримером участия каскада в формировании тригпечивая координацию разных процессов, связанных с герного ответа является МАР-киназный каскад. Пометаболизмом гликогена.

видимому, более сложную кинетику имеют такие каскады, как каскад каспаз – протеаз, участвующих в Протеинкиназы, регулируемые цАМФ, по-видимоапоптозе, или, например, каскад протеаз, участвующих му, ответственны за все эффекты, вызываемые цАМФ в создании пространственной организации организма. в клетке. В разных типах клеток эти протеинкиназы Однако все примеры относятся к числу кинетически различны, что и определяет разнообразие эффектов плохо исследованных систем, и в статье детали их регу- цАМФ. Протеинкиназа, активирующая распад гликогеляции не будут рассмотрены. на, состоит из четырех субъединиц, как и большинство СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 6, №7, БИОЛОГ ИЯ Адреналин Мембрана клетки Аденилатциклаза Рецептор G-белок Ингибиторная цАМФ АТФ субъединица Активная Протеинкиназа протеинкиназа протеинкиназы цАМФ P Ca Ca Активная Киназа киназа фосфорилазы фосфорилазы P P Активный P Ингибитор ингибитор фосфатазы фосфатазы Фосфо- Фосфорилаза b P рилаза a P Гликоген Глюкозо–1Р P Глюкоза Фосфатаза Активная фосфатаза Активная P гликогенсинтаза Гликогенсинтаза Рис. 2. Регуляция метаболизма гликогена.





Процесс начинается с появления вне клетки гормона – адреналина. Адреналин связывается с рецептором, который находится на мембране клетки. Этот рецептор запускает на внутренней стороне мембраны цепь процессов, ведущих к активации фермента АМФ-циклазы.

В результате в цитоплазме клетки возрастает концентрация цАМФ и активируется цАМФзависимая протеинкиназа, что ведет к активации каскада протеинкиназ и заканчивается активацией гликогенфосфорилазы – фермента, отщепляющего глюкозу от гликогена.

цАМФ-зависимая протеинкиназа влияет еще на два процесса, важных для метаболизма гликогена. Во-первых, она фосфорилирует ингибитор фосфатазы, что приводит к инактивации фосфатазы и прекращению дефосфорилирования протеинкиназ каскада, фиксируя их в активном состоянии (реакции, изображенные в левом нижнем углу рисунка). Во-вторых, цАМФ-зависимая протеинкиназа фосфорилирует ключевой фермент синтеза гликогена – гликогенсинтетазу, прерывая порочный круг синтез–распад гликогена (реакции в нижней части рис. 2). При этом гликогенсинтаза инактивируется, и синтез гликогена прекращается. Красным цветом изображены активные формы ферментов и реакции, ведущие к активации распада гликогена, синим и сиреневым – реакции, препятствующие этому процессу. Остальные обозначения те же, что на рис. цАМФ-зависимых протеинкиназ. Две каталитические Каскад фосфорилирований, субъединицы являются собственно протеинкиназами, а ведущий к активации распада гликогена две другие, регуляторные, нужны, чтобы ингибировать Вернемся к событиям, происходящим в мышечной каталитические. цАМФ связывается с регуляторными клетке после связывания адреналина, образования субъединицами. Это приводит к изменению конформацАМФ и активации протеинкиназы. На рис. 2 покации тетрамера, и комплекс распадается на отдельные субъединицы (см. рис. 2). Освобождающиеся каталити- зана совокупность реакций, регулирующих синтез и распад гликогена. Красным цветом помечены активческие субъединицы активируются и фосфорилируют свои мишени. Каждая регуляторная субъединица име- ные формы ферментов и реакции, которые способствует два центра связывания цАМФ, а молекула неактив- ют распаду гликогена, голубым – ферменты и реакции, усиливающие противоположный процесс – синтез ной протеинкиназы может связать до четырех молекул цАМФ. Благодаря этому процесс высвобождения ката- гликогена. Активная протеинкиназа фосфорилирует литических субъединиц становится кооперативным, киназу фосфорилазы, второй фермент каскада. В свою что делает активацию киназы на изменение цАМФ очередь, киназа фосфорилазы фосфорилирует свой значительно более резкой. субстрат – гликогенфосфорилазу. И наконец, активная АТАУЛЛАХАНОВ Ф.И. КАСКАДЫ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ И ИХ РОЛЬ В БИОЛОГИИ БИОЛОГ ИЯ гликогенфосфорилаза начинает образование глюкозо- а 1-фосфата из гликогена и неорганического фосфата.

Этот каскад способен быстро активировать практически все молекулы гликогенфосфорилазы при незначительном увеличении концентрации цАМФ.

Концентрация Фосфатазы обеспечивают устойчивость андреналина и пороговое поведение каскада Для того чтобы каскад не срабатывал от случайных возВремя мущений, в клетке имеется специальный фермент – фосфопротеинфосфатаза или для краткости просто фосфатаза, которая непрерывно отщепляет фосфаты, б присоединенные киназами, от всех белков этой систе- Протеинкиназа мы. Это возвращает систему в неактивное состояние.

Р Р Р Р Реакции фосфатазы изображены в левом нижнем углу рис. 2. Совместное действие киназ и фосфатазы приво2АТФ 2АДФ Са дит к тому, что в ответ на повышение концентрации цАМФ скорость расщепления гликогена меняется пороговым образом. До некоторых концентраций цАМФ Рис. 3. Регуляция распада гликогена.

а – Изменение активности гликогенфосфорилазы во в клетке фосфатаза эффективно инактивирует активвремени в ответ на изменение уровня адреналина в ные киназы и гликоген практически не расщепляется.

крови. При возрастании концентрации адреналина Когда же концентрация цАМФ превышает некоторую выше пороговой начинается быстрое возрастание пороговую, начинает сказываться главное свойство активности фермента. Одновременное выключение активности фосфатазы (см. текст) приводит к тому, каскада – способность к самоускорению. Это приводит что весь фермент оказывается в активированном ко всевозрастающей скорости фосфорилирования глисостоянии и продолжает оставаться в нем после когенфосфатазы и к возрастанию до максимально возснижения уровня адреналина в крови.

можной способности клетки разрушать гликоген. Та- б – Регуляция активности киназы фосфорилазы.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.