IV. Биохимические основы механизмов гомеостаза

Предыдущая: Биохимические основы механизмов гомеостаза

Адаптация биологической системы к изменившимся условиям внутренней или внешней среды имеет в своей основе "метаболическую адаптацию", т. е. количественное изменение обменных процессов в клетках. Среди механизмов "метаболической адаптации" очень большое значение имеет индукция биосинтеза белков, в том числе ферментов. Под термином "индукция" принято понимать увеличение скорости синтеза определенного белка в результате воздействия особого индуктора, специфически ускоряющего данный процесс. Впервые и наиболее детально процесс индукции был исследован у микроорганизмов. Если, например, Е. coli выращивать на среде, в которой источником углерода является лактоза (β-галактозид), то спустя определенный лаг-период в клетках кишечной палочки происходит интенсивное образование фермента β-галактозидазы (лактазы), специфически расщепляющего лактозу (Mono J., Cohn М., 1952). Индукторами являются чаще всего либо субстраты, либо структурные аналоги субстратов тех ферментов, индукцию которых они вызывают. Однако существуют субстраты, не вызывающие индукцию "своего" фермента, и субстраты, неспособные индуцировать синтез ферментов. Способность бактерий к синтезу новых ферментов позволяет им быстро приспосабливаться к изменяющимся внешним условиям.

У животных понятие об индуцированном биосинтезе белков, и в том числе ферментов, является гораздо более сложным. Изменения ферментативной активности у животных в ответ на определенные воздействия были показаны еще в конце прошлого века. И. П. Павлов и А. А. Вальтер установили, что скорость секреции отдельных ферментов поджелудочной железы увеличивается при изменении состава рациона: при увеличении содержания углеводов возрастает секреция амилазы, а при высокобелковом рационе увеличивается скорость секреции протеиназ. Позднее эти данные были подтверждены и другими авторами. Однако увеличение активности ферментов в ответ на такие (и другие) воздействия у животных не может быть приравнено к классической субстратной индукции ферментов у микроорганизмов: это значительно более сложные процессы. Очень важная роль в индукции биосинтеза ферментов и других белков у животных принадлежит гормонам.

Первые данные о влиянии гормонов на биосинтез ферментов были получены в отношении двух ферментов - триптофаноксигеназы и тирозинаминотрансферазы. Эти ферменты катализируют первые этапы распада триптофана и тирозина. Впервые W. Е. Кнох и соавт. (Knox W. Е., 1951) показали, что активность триптофаноксигеназы в печени крыс увеличивается в 5-10 раз после введения животным кортизона или гидрокортизона; максимум активности наблюдали через 4-5 ч после введения гормонов, а через 18-20 ч эта активность снижалась до исходных величин. Аналогичные данные были получены о влиянии кортикостероидов на активность тирозинаминотрансферазы, а также большого числа других ферментов (Протасова Т. Н., 1975; Pitot Н. С., Yatvin М. В., 1973).

Увеличение активности тирозинаминотрансферазы в печени крыс зависело от дозы вводимого гидрокортизона: максимальный ответ фермента наблюдали после введения 10 мг гормона на 100 г массы. Повышение активности триптофаноксигеназы обнаружили и у людей, получавших гидрокортизон (McGinty F., Rose D. P., 1969). Ответ тирозинаминотрансферазы и триптофаноксигеназы на введение кортикостероидов был получен не только после введения гормона животным, но и при добавлении гормонов в среду, которой перфузировали изолированную печень крыс, или же в среду культивирования клеток гепатомы. Гормональная индукция ферментов у животных имела принципиально отличный характер по сравнению с субстратной индукцией у микроорганизмов (рис. 13).

Как видно, активность ферментов у животных после пика максимума возвращается к исходному уровню, продолжительность этого снижения варьирует от нескольких часов до нескольких дней в зависимости от специфичности ответа фермента. Поскольку увеличение количества эндогенных кортикостеороидов характерно для стресс-реакции, можно было ожидать, что в условиях, ведущих к развитию этой реакции, активность ферментов может быть повышена. Действительно, такие воздействия, как травма, облучение, введение аминокислот, нуклеотидов, некоторых белков и, даже таких инертных веществ, как бентонит и целит, приводят к увеличению ферментативной активности. В качестве примера приведены данные относительно тирозинаминотрансферазы (табл. 2).

Как видно, у интактных животных активность фермента повышалась во всех случаях, а у адреналэктомированных она достоверно возрастала лишь после введения гидрокортизона (одного или вместе с РНК).

Уже в первых работах по гормональной индукции ферментов были получены данные в пользу того, что повышение ферментативной активности является результатом увеличения количества молекул фермента. Об этом свидетельствовали данные об увеличении включения меченых аминокислот в белки и ферменты после введения гормонов (Юдаев Н. А. и др., 1957; Jervell К., 1963), данные иммунохимического определения количества того или иного фермента (Granner D. et al., 1970), а также опыты с ингибиторами биосинтеза белка (Протасова Т. Н., 1969; Jervell К., 1963).

На рис. 14 приведены данные о торможении кортикостероидной индукции треониндегидратазы ингибиторами биосинтеза белка. Видно, что введение этионина значительно снижало кортизоновую индукцию у интактных и полностью предупреждало ее у адреналэктомированных животных. Индукция фермента триамцинолоном полностью предупреждалась введением отечественного антибиотика аурантина, относящегося к группе актиномицинов и по аминокислотному составу близкого к актиномицину С. Результаты, полученные указанными методами, свидетельствуют о том, что в основе гормональной индукции лежит увеличение скорости синтеза ферментов и других белков. Поскольку биосинтез белка является сложным многостадийным процессом (см. рис. 1), представляет очень большой интерес выяснение той стадии (стадий), на которую (которые) преимущественно направлено гормональное воздействие. К настоящему времени получены материалы, подтверждающие возможность влияния гормонов на различных этапах биосинтеза белка.

Влияние гормонов на матричную активность хроматина, т. е. на способность синтеза РНК на матрице ДНК было показано как in vivo, так и in vitro. Это установлено в отношении кортикостероидов (Johnson L. К., Baxter J. D., 1978), эстрадиола (Barker К. L., 1971) и других гормонов. Обнаружено, что введение животным кортизона приводит к качественным изменениям состава белковых фракций хроматина (Константинова И. М., и др., 1978). Имеется большое число данных о том, что гормоны стимулируют синтез всех типов РНК, участвующих в биосинтезе белков. Поскольку информация для синтеза белков передается при помощи специальных информационных, или матричных, РНК (мРНК), особый интерес представляет выяснение возможности гормонального контроля синтеза именно этого типа РНК. Такую возможность предположили на основании фактов о стимулирующем влиянии ряда гормонов на синтез РНК, по своим свойствам близкой к мРНК. Это, в частности, было показано для клеток печени животных после введения кортизола (Kidson С., Kirby К., 1964) или инсулина (Oraveo М., Коrner А., 1972), для клеток матки после введения эстрадиола (Юдаев Н. А., Покровский Б. В., 1974; Trachewsky D., Segal Н., 1968).

Прямые доказательства гормональной индукции получены уже для ряда мРНК животных. Одной из таких является мРНК овальбумина. Синтез этой мРНК индуцируется природными и синтетическими эстрогенами. R. W. O’Malley и соавт. (1972), а также R. Т. Schimke и соавт. (1973) выделили индуцированную эстрогенами мРНК овальбумина и в бесклеточной системе показали образование специфического белка - овальбумина. Аналогичные данные были получены в отношении мРНК для тирозинаминотрансферазы (Lang N. et al., 1968), триптофаноксигеназы (Schutz G. et al., 1973) и казеина (Matusik R. J., Rosen J. М., 1978), индуцированных кортикостероидами (ферменты) и пролактином (казеин).

Большой интерес представляет тот факт, что регуляция транскрипции различными гормонами в одном и том же органе осуществляется независимо. Это было установлено Б. В. Покровским (1974) при исследовании в ткани матки животных контроля транскрипции женскими половыми гормонами и андрогенными стероидами.

Таким образом, гормоны могут контролировать скорость синтеза белков (и в том числе ферментов) путем регуляции скорости биосинтеза соответствующих мРНК, т. е. путем влияния на процесс транскрипции. Однако увеличение числа молекул мРНК под влиянием гормонов происходит не только вследствие повышения скорости синтеза этих РНК. В последние годы установлено, что гормоны увеличивают также стабильность мРНК. Такие данные получены, в частности, для мРНК, кодирующей синтез глутаминсинтетазы: время полураспада мРНК до индукции кортизолом равно 1 ч, после индукции - 11 ч (Goldman В. М., Jones R. Е., 1977). Пролактин и кортизол стабилизируют мРНК для казеина (Houdebine L. М. et al., 1978). Существует также мнение, что гормоны контролируют синтез и других типов РНК, участвующих в биосинтезе белка, - рибосомной РНК (рРНК) и транспортной РНК (тРНК). Это было показано как в отношении различных гормонов, так и для многих тканей (Loeb J. N., Tolentino Е. М., 1970). Следовательно, регуляция биосинтеза белка гормонами может осуществляться на всех стадиях биосинтеза белка.

Недавно были получены очень интересные данные о роли лизосом в индукции ферментов (Мак J. Т., Wells W. W., 1977), на основании которых выдвинута гипотеза о том, что лизосомы передают сигнал индукции от мембраны клетки к ядру.

Заслуживает внимания тот факт, что длительное (в течение 20-22 дней) введение крысам кортизола приводит к утрате способности клеток печени реагировать на очередное поступление экзогенного гормона усилением синтеза РНК и ферментов глюконеогенеза. Основной причиной этого является изменение состояния хроматина клеток печени (Салганик Р. И. и др., 1968). Аналогичные данные были получены также при длительном введении инсулина, приводящем к утрате индукции гексокиназы и пируваткиназы (Гордиенко О. Е. и др., 1973). Эти результаты подчеркивают важность учета длительности и интенсивности гормонального воздействия, что имеет особое значение ввиду широкого применения гормонов с лечебными целями.

Представляет также большой интерес вопрос, имеются ли различия в пространственной структуре ферментов, синтезированных в организме при различном гормональном статусе. Известно, что белки с одной и той же последовательностью аминокислот, т. е. с одинаковой первичной структурой, могут иметь различные свойства, результатом чего может явиться снижение или повышение их биологической активности. Для ферментов это особенно важно, так как изменение свойств приведет к изменению скорости определенных реакций обмена в тканях. Поэтому очень важны данные (к сожалению, немногочисленные) о зависимости свойств ферментов от гормонального статуса животных.

Установлено, что введение тироксина крысам изменяет спектральные свойства цитохрома Р-450 в печени, что сопровождается повышением способности этого фермента связывать некоторые фармакологические средства (Kato R. et al., 1970). Зависимость физико-химических свойств фермента от гормонального статуса животных показана также на примере треониндегидратазы (Протасова Т. Н., 1975). Оказалось, что фермент, выделенный из печени адреналэктомированных крыс, значительно более стабилен, чем фермент, выделенный из печени интактных или получавших кортизол животных.

Как видно на рис. 15, активность треониндегидратазы, выделенной из печени интактных и получавших кортизол крыс, быстро снижается в первые 2 нед хранения препарата при -20 °С (особенно резко у "кортизоловых" животных) и продолжает снижаться по мере хранения, составляя через 10-12 нед менее 20% исходной активности. В отличие от этого активность фермента, выделенного из печени адреналэктомированных животных, хотя вначале также несколько снижается, но, начиная с 5-6-й недели хранения, повышается и превышает исходную активность через 10 нед примерно на 30%. Эти данные позволяют думать, что после адреналэктомии синтезируется фермент с конформацией, отличающейся от конформации фермента, синтезированного в условиях физиологического (норма) или избыточного (введение кортизола) количества кортикостероидов в организме. Такую регуляцию можно рассматривать в качестве одного из гомеостатических механизмов, обеспечивающих определенное постоянство ферментативной активности. Действительно, качественные изменения молекул фермента в валовом отношении могут оказаться более физиологически важными, чем кратковременное увеличение количества синтезированного фермента, так как они могут обусловить стойкие изменения направленности или интенсивности тех или иных обменных процессов.

Гормональная регуляция биосинтеза ферментов играет важную роль в поддержании суточных ритмов многих физиологических процессов. В качестве примера в табл. 3 приведены данные o суточном ритме активности тирозинаминотрансферазы и влиянии гормонального статуса на этот ритм. Как видно, пик активности фермента приходится у интактных животных на 22 ч, а плато - на период от 8 до 16 ч. После адреналэктомии пик сдвинется на 24 ч; гипофизэктомия снижает активность фермента в течение всего суточного периода, но слабый пик в 22 ч все же имеет место. У тиреоэктомированных животных обнаруживается значительное повышение пика активности в 22 ч и резкое снижение активности в период от 24 до 4 ч. Подобные суточные ритмы активности обнаружены и для многих других ферментов - гидроксилазы тирозина, триптофаноксигеназы, трансаминидазы и др.

Весьма интересные данные получили К. Н. Ярыгин и В. А. Исаченков (1978). Они показали наличие суточного ритма активности орнитиндекарбоксилазы в эпифизе крыс и зависимость ритма от степени освещенности. Эта периодичность, являющаяся важным компонентом гомеостаза, обеспечивается целой системой синхронизаторов, из которых первичными принято считать изменения освещенности, а вторичными - гормональные факторы. Противопоставление этих двух видов регуляции было бы, однако, неправильным, так как действие их тесно связано друг с другом. Не исключена возможность того, что регуляция суточных и циркадных ритмов активности ферментов и физиологических процессов в целом осуществляется посредством многоступенчатых и взаимосвязанных процессов, включающих и другие регуляторные системы, помимо нервной и гормональной. Об этом свидетельствует, в частности, наличие циркадного ритма содержания циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) в крови здоровых людей 20-22 лет с максимумом в 14 ч и минимумом в 2 ч (Mikuni М. et al., 1978). В отличие от цАМФ концентрация циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ) на протяжении суток изменяется незначительно.

Нарушение гармоничного протекания обменных процессов, т. е. нарушение биохимических механизмов гомеостаза, характерно для ряда патологических состояний. Одним из примеров этого является нарушение активности ферментов и их реакции на гормоны и другие индукторы в процессе канцерогенеза. В табл. 4 приведены данные о влиянии введения кортизона животным с различными типами гепатом на активность триптофаноксигеназы в ткани гепатомы и в прилегающей ткани печени.

Кортизон вводили внутрибрюшинно по 2 раза с интервалом в 3 ч и определяли активность фермента через 3 ч после второго введения. У части животных за несколько дней до опыта производили адреналэктомию. Контрольные животные не получали кортизона. Как следует из табл. 4, гормональная индукция триптофаноксигеназы сохранена в ткани печени крыс с опухолями, но отсутствует в ткани гепатомы. Характерно также, что имеются различия в активности фермента в ткани гепатом различного типа.

Имеются данные, свидетельствующие о повышении чувствительности ферментов в некоторых опухолях к гормонам. Примером такого рода является значительно более резкое увеличение активности аденилаткиназы в ткани гепатомы Новикова после введения крысам кортизола, чем в ткани печени (Criss W. Е., Morris И. S., 1973). Особенно интересно, что в ответ на кортизол активность аланинаминотрансферазы в гиалоплазме и митохондриях крыс, получавших канцероген диэтилнитрозамин, повышалась значительно больше, чем у интактных животных (Ильин В. С., Норман X. К., 1973).

Наличие глубоких нарушений свойств ферментов злокачественных тканей подтверждают данные М. А. Акопова и соавт. (1978). Активность треониндегидратазы в спонтанной гепатоме мышей сохраняется примерно на таком же уровне, как и в печени здоровых животных. Однако кинетические параметры фермента и чувствительность к аллостерическому эффектору (АМФ); а также сродство к кофактору (пиридоксаль-6-фосфату) резко отличаются от аналогичных величин, характерных для нормы. Все это свидетельствует о глубоких нарушениях ферментной регуляции при малигнизацин, являющихся проявлением расстройства механизмов гомеостаза.

Нарушение механизмов ферментного гомеостаза характерно также для старения. В связи с тем, что с возрастом меняются скорость образования и секреция гормонов, интенсивность распада гормонов и чувствительность к ним тканей, можно ожидать изменения ответа ферментов на гормоны и другие стимулы при старении.

Как видно на рис. 16, введение кортизола в малой дозе сильнее индуцирует тирозинаминотрансферазу у старых крыс, а введение гормона в большой дозе более эффективно у взрослых животных. Различной была также величина максимальной индукции фермента в печени животных разного возраста. Все это свидетельствует о качественных и количественных различиях в гормональной индукции ферментов у представителей различных возрастных групп.

Одной из причин изменения ответа ферментов может быть качественное изменение синтезируемых ферментов. На такую возможность указывают данные о накоплении малоактивных форм некоторых ферментов у старых животных. Так, Anderson P. J., (1974) показал, что в печени молодых кроликов активность альдолазы составляет 0,049 ± 0,005 ед. на 1 мг белка, а в печени старых животных - 0,033 ± 0,006 ед/мг. Особенно интересно, что при сравнительном исследовании пептидов, входящих в состав альдолазы, нашли, что с возрастом может происходить потеря отдельных функционально значимых аминокислотных остатков; не исключена также возможность накопления ингибиторов ферментов (Anderson P. J., 1974).

Продолжение: Регуляция распада белков и ферментов

К оглавлению

Литература [показать]