WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 ||

Фермент состоит из четырех разных субъединиц:, ким образом, с помощью каскада фосфорилирований,,. Фермент содержит по четыре копии каждой ответ клетки на плавные изменения концентрации адсубъединицы, образуя структуру из четырех иденреналина в крови оказывается очень резким. При дотичных блоков [ ]. На рисунке схематически изображен один такой блок. Фермент регулируется стижении порогового уровня гормона клетка скачком двумя сигналами и активен только в фосфорилиропереключается в новое состояние (рис. 3, а). В этом ванной форме и только после присоединения Са состоянии способность клетки расщеплять гликоген максимальна.

2. Чтобы эффективно использовать внутриклеточные ресурсы, недостаточно только активировать Каскад – часть большой системы процессов, процесс расщепления гликогена. Разумно при этом регулируемых совместно и выполняющих одну задачу одновременно остановить синтез гликогена. Для этоРассмотренный каскад является только частью пол- го протеинкиназа фосфорилирует ключевой фермент ной системы регуляции. Повышение уровня цАМФ в пути синтеза гликогена – гликогенсинтазу (см. рис. 2, клетке вызывает одновременно несколько процессов. внизу). Это фосфорилирование инактивирует ферЭто достигается тем, что цАМФ-зависимая протеин- мент, и синтез гликогена прекращается.

киназа имеет кроме активации каскада еще несколько Схема является типичным примером использовамишеней.

ния клеткой вторичных мессенджеров, таких, как цАМФ, для координирования различных процессов в 1. Чтобы сделать переход от синтеза гликогена к его клетке. В этом и состоит главная физиологическая роль распаду как можно более полным и необратимым, протаких молекул.

теинкиназа фосфорилирует ингибитор фосфатазы. Этот ингибитор активируется и ингибирует фосфатазу (см.

Мобилизация – это еще не работа рис. 2, левый нижний блок реакций). Тем самым прекращается дефосфорилирование активных киназ и Рассмотренная картина все еще неполна. Появление фиксируется активированное состояние. Благодаря адреналина в крови еще не означает увеличения поэтому клетка продолжает оставаться во включенном требления глюкозы. Это только стрессорная реакция – состоянии и после снижения уровня гормона в крови. организм мобилизует свои ресурсы для выполнения СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 6, №7, Активность гликогенфосфорилазы Са БИОЛОГ ИЯ большой работы. Но собственно потребность в глюко- строго ограниченное время. Рассмотрим устройство зе возрастет только тогда, когда мышца начнет сокра- системы свертывания крови. Этой системе посвящено щаться. Поэтому было бы неправильным расщеплять несколько статей, опубликованных в “Соросовском гликоген заранее. Для того чтобы синхронизовать рас- Образовательном Журнале” (см., например, [4]), пощепление гликогена с процессом мышечного сокраще- этому обзор будет кратким.

ния, в каскад фосфорилирований встроен еще один регулятор: активность киназы фосфорилазы зависит не Каскад протеолитических реакций, только от фосфорилирования ее субъединиц, но и от вызывающих свертывание крови концентрации кальция в клетке. А как известно, именКровь переходит в твердое состояние благодаря полино возрастание уровня кальция в клетке вызывает сомеризации специального белка – фибрина (см. рис. 4), кращение мышцы. В результате тот же сигнал, что стикоторый образуется из предшественника – фибриногемулирует мышцу к сокращению, запускает образование на, белка, которого много в плазме крови. Превращеглюкозы из гликогена в системе, полностью готовой ние фибриногена в фибрин происходит под действием для этой работы.

фермента тромбина. В жидком состоянии в крови На рис. 3, б схематически изображена структура китромбина, естественно, быть не должно, так же как и назы фосфорилазы. Она состоит из четырех идентичфибрина. Иначе будет образовываться фибрин и кровь ных блоков. Каждый блок, в свою очередь, состоит из свернется. Активация свертывания вызывает каскад четырех разных субъединиц. Каталитической активнореакций, в результате которых появляется тромбин стью обладает только -субъединица. - и - субъедини(см. рис. 4). Этот каскад состоит из серии однотипных цы нужны для регуляции активности фермента с помоферментативных (протеолитических) реакций. Все щью цАМФ. Они фосфорилируются протеинкиназой.

участники этого каскада называются факторами сверИзвестный кальцийсвязывающий белок – кальмодутывания и обозначаются римскими цифрами. Исходно лин является -субъединицей этого фермента. Таким в крови все факторы существуют в виде неактивных образом, в результате действия адреналина и всего каспредшественников. Активация каждого из них проискада киназ в клетке не возрастает скорость расщеплеходит в результате протеолитического отщепления от ния гликогена, а происходит только мобилизация рефактора небольшого пептида. Активная и неактивная сурсов. Система переключается в такое состояние, в форма обозначаются одной римской цифрой, но чтобы котором увеличение концентрации Са в клетке вызовет отличать предшественник от активной формы фактора, быстрое завершение процесса активации. Гликогенфосдля активных форм к римской цифре добавляют букву форилаза будет полностью активирована и начнется а. Например, тромбин еще называют фактором IIа.

быстрое образование глюкозы. Если Са нет, фермент В результате инициации свертывания появляется не будет активирован. Он останется неактивным, даже активная протеаза, которая, в свою очередь отщепляет если Са в клетке много, но каскад не сработал и гликоновый пептид от нижестоящего по каскаду фактора, генфосфорилаза не была профосфорилирована.

активируя следующую ступеньку каскада. ОбразуюМы рассмотрели только одну половину процесса – щиеся ферменты обладают высокой специфичностью.

включение, мобилизацию ресурсов для усиленной мыКаждый из них умеет расщеплять только вполне опрешечной работы. Обратный процесс – выключение деленные белки. Например, фактор IХа расщепляет имеет аналогичное управление и приводит к активации только фактор Х, активируя его, фактор Х активирует фосфопротеинфосфатазы, которая дефосфорилирует только протромбин и т.д. Такой каскад реакций работавсе фосфорилированные белки и возвращает систему в ет, естественно, с ускорением. Каждая молекула актиисходное состояние – состояние, в котором идет синвированного фактора активирует множество молекул тез гликогена.

ниже по каскаду. Чем больше пройдет времени, тем больше появится активных молекул. Возникает лавиСВЕРТЫВАНИЕ КРОВИ на, каскад быстро нарастающих концентраций активНаиболее известным примером каскада протеолитиченых протеаз.

ских ферментов является каскад свертывания крови.

Он изображен на рис. 4. Мы увидим, как организм реПоложительные обратные связи резко усиливают шает задачу, которая требует другой временной органиразличие между неактивированным зации процесса, чем процесс мобилизации энергетичеи активированным состоянием системы ских ресурсов клетки. В ходе свертывания образуются активные протеазы, длительное существование кото- Для защиты от самопроизвольного свертывания в крорых представляет большую опасность. Поэтому после ви существует большое количество ингибиторов – веинициации свертывания каскад должен быть активен ществ, которые, связываясь с активными формами АТАУЛЛАХАНОВ Ф.И. КАСКАДЫ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ И ИХ РОЛЬ В БИОЛОГИИ БИОЛОГ ИЯ Рис. 4. Каскад реакций свертывания крови.

Процесс начинается при контакте крови с чужеродной или поврежденной поверхностью.

Серия протеолитических расщеплений приводит к образованию тромбина – ключевого фермента каскада. Тромбин расщепляет фибриноген, превращая его в фибрин. Фибрин полимеризуется, образуя тромб. Тот же тромбин катализирует реакции, с которых начинаются положительные (красные) и отрицательные (синие) обратные связи, формирующие кинетику каскада факторов, инактивируют их (см. рис. 4). В этом каскад фактора сами по себе не являются ферментами, но они свертывания похож на каскад, активирующий распад способны увеличивать скорость работы основных факторов каскада – Х и IX в десятки тысяч раз, образуя с гликогена. В обоих случаях управляемость каскада ними комплексы (с участием Са и фосфолипидов, см.

обеспечивают реакции инактивации активных форм [2]). Факторы V и VIII часто называют кофакторами, ферментов. Это приводит к устойчивости: свертывание чтобы подчеркнуть их вспомогательную роль.

начинается только тогда, когда активирующий сигнал превысит довольно заметную пороговую величину.

Тысячекратное увеличение скорости работы касЭффективность ингибиторов, имеющихся в крови, када, естественно, в тысячи раз увеличивает продукочень велика, поэтому, чтобы увеличить скорость сверцию самого тромбина, который стоит у истоков этих тывания после превышения порога, в системе свертыположительных обратных связей. Такое усложнение вания существуют сильные положительные обратные биохимии процесса резко изменяет его ответ на активисвязи (см. рис. 4). Тромбин, последний фермент каска- рующий сигнал. При слабой активации свертывания, да, может активировать два фактора: V и VIII. Эти два когда активацией факторов V и VIII можно пренебречь, СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 6, №7, БИОЛОГ ИЯ концентрация тромбина очень мала и растет пропорци- щепляя от него небольшой фрагмент, тромбин создает онально активирующему сигналу. Концентрации тром- активную протеазу, которая разрушает, необратимо бина при таких активациях так малы, что практически инактивирует кофакторы V и VIII. Это те кофакторы, не влекут за собой образования фибрина и формирова- которые приводят к тысячекратному увеличению скония сгустка крови. Небольшое превышение пороговой рости активации протромбина. Тем самым при активавеличины приводит к возрастанию концентрации тром- ции протеина С резко снижается скорость производстбина в тысячи раз (рис. 5). Такие концентрации тром- ва тромбина. Он во много тысяч раз активирует свое бина быстро переводят практически весь фибриноген в производство, и он же его выключает. Кинетические фибрин. Самоактивирующийся (автокаталитический) константы процесса таковы, что выключение происхохарактер процесса делает ответ системы, то есть конеч- дит несколько позже. К тому времени концентрация ную концентрацию тромбина, слабо зависящим от ве- тромбина успевает вырасти до концентраций в десятки личины активирующего сигнала. Важно только, чтобы тысяч раз выше пороговых, но только на небольшое активация превысила пороговую. Естественно, что при время (см. рис. 5). На активацию, превышающую поэтом пороговое поведение наблюдается не только для роговую, свертывание отвечает мощным импульсом тромбина, но и для всех факторов, охваченных петлями тромбина, характеристики которого практически не обратных связей. зависят от величины активации. Этот импульс тромбина таков, что там, где он возник, большая часть фибриногена превращается в фибрин и образуется твердый Отрицательные обратные связи сгусток.

резко ограничивают время существования активированного состояния свертывания Такая кинетика процесса очень важна для того, чтобы образующийся тромб, его свойства, его характеСильная активация производства тромбина – процесс ристики (плотность, размеры, скорость образования) довольно опасный. Поэтому природа резко ограничила никак не зависели от того, чем этот процесс был запущен. Повреждение может привести к небольшой активации свертывания или очень большой, но организм не может рисковать. Он должен сделать тромб всегда одинаково хорошо. Поэтому кинетические характеристики образования тромбина постоянны и слабо зависят от активации. При свертывании крови важно не только то, чтобы процесс был четко ограничен во времени.

Важно также не дать образующимся активным факторам распространиться по кровотоку. Для решения этой задачи каскад обладает специальными кинетическими особенностями. Рассмотрение возможностей каскадов в решении пространственных задач биологии выходит за рамки этой статьи.

ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ КАСКАДЫ – Время, мин ИНСТРУМЕНТ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЗКИХ – ВРЕМЕННЫХ Рис. 5. Изменение концентрации тромбина во вреИ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ГРАНИЦ мени. При превышении порога активации концентВ ОРГАНИЗМЕ рация тромбина экспоненциально вырастает в десятки тысяч раз, а затем быстро снижается практиРассмотренные примеры показывают, что ферментачески до нуля. Уровень активирующего сигнала так тивный каскад не является усилителем в традиционмал, что на рисунке его не видно. Амплитуда импульса тромбина слабо зависит от активирующего сигна- ном понимании. Скорее каскад является специализила и определяется в основном устройством каскада рованным, сильно нелинейным элементом в арсенале творца живой материи – эволюции. Этот элемент удоего во времени. В системе свертывания существует еще бен для формирования резких, скачкообразных ответов.

один белок, который играет особую роль в кинетике Общим свойством всех систем, использующих ферменобразования сгустка (см. рис. 5). Он называется белок тативные каскады, являются существование порога и С, или протеин С и, так же как остальные факторы ответ по типу все или ничего. Благодаря кинетическим свертывания, является потенциальной протеазой. От- свойствам каскада система, перевалив через порог, не АТАУЛЛАХАНОВ Ф.И. КАСКАДЫ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ И ИХ РОЛЬ В БИОЛОГИИ Тромбин, нМ БИОЛОГ ИЯ удержимо и быстро устремляется к новому состоянию, работы таких систем, но похоже, что каскады – важхарактеристики которого практически не зависят от ный элемент самоорганизации биологических систем.

силы и кинетики воздействия, вызвавшего переход.

Кинетика поведения системы после перехода через поЛИТЕРАТУРА рог может быть довольно сложной. Мы рассмотрели 1. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человетолько два варианта ответа: скачок – переход в новое ка. М.: Мир, 1993. Т. 2. 414 с.

активированное состояние и импульс – сильную акти2. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биоловацию системы на заданный промежуток времени. Отгия клетки. М.: Мир, 1987. Т. 3. 296 с.

веты могут быть и более сложными. Например, в ответ 3. LeMosy E.K., Hong C.C., Hashimoto C. // Trends Cell Biol. 1999.

на активацию система может выдать серию импульсов Vol. 9. Р. 102–107.

определенной интенсивности и частоты.

4. Зубаиров Д.М. Почему свертывается кровь // Соросовский Другая особенность ферментативных каскадов со- Образовательный журнал. 1997. № 3. С. 46–52.

стоит в том, что они не являются самостоятельными метаболическими или регуляторными системами. Они Рецензент статьи Н.К. Наградова всегда являются частью системы, поведение которой зависит от устройства всей системы в целом. Это и * * * обеспечивает разнообразие возможных ответов.

Фазоил Иноятович Атауллаханов, доктор биологичеНедавно при исследовании пространственной диских наук, профессор кафедры биофизики физичеснамики свертывания крови было обнаружено, что кого факультета МГУ, зав. лабораторией физической кинетические особенности ферментативных каскадов биохимии в Гематологическом научном центре РАМН.

являются уникальным инструментом для создания усОбласть научных интересов – исследование и математройств, умеющих строить резкие пространственные тическое моделирование механизмов регуляции меграницы. Пока мы довольно мало знаем о принципах таболических систем. Автор более 200 статей.

Pages:     | 1 ||










© 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.