IV. Биохимические основы механизмов гомеостаза

Предыдущая: Регуляция распада белков и ферментов

Как уже указывалось, очень важным для активности ферментов является поддержание определенной пространственной структуры фермента. В связи с этим изменения конформации фермента под тем или иным влиянием приведут к изменению активности фермента. Особый интерес представляет гормональный контроль конформации и активности ферментов. Наибольшее количество данных получено в отношении глутаматдегидрогеназы - фермента, катализирующего обратимое окислительное дезаминирование глутаминовой кислоты и играющего важную роль в аминокислотном обмене. Работами ряда авторов (Yielding К. L., Tomkins G. М., 1960; Tomkins G. М. et al., 1965) установлено, что глутаматдегидрогеназная активность в присутствии женских половых гормонов и их синтетических аналогов резко снижается и повышается аланиндегидрогеназная активность фермента. Ингибирующее действие гормонов на активность глутаматдегидрогеназы обусловлено их связыванием с ферментным белком при участии гуанидиновых групп аргининовых остатков фермента (Титова Г. В., Клюева Н. Н., 1978) с диссоциацией глутаматдегидрогеназы на мономеры, обладающие аланиндегидрогеназной активностью (Tomkins G. М. et al., 1965).

Возможность изменения структуры фермента при взаимодействии с гормоном является одним из важных путей гормональной регуляции активности ферментов (Ильин В. С., 1966; Ильин В. С., Титова Г. В., 1968; Титова Г. В., 1971, 1974). Известпо, что глюкокортикоиды тормозят, а инсулин снимает торможение активности гексокиназы - одного из ключевых ферментов углеводного обмена, при посредстве которого глюкоза вовлекается в энергетический обмен организма. Как видно из данных табл. 6, после блокирования SH-групп гексокиназы специфическим тиоловым реагентом - N-этилмалеимидом, ингибирующее действие кортизона на активность фермента сохраняется, однако для снятия этого торможения инсулином необходимы свободные SH-гpyппы гексокиназы. Это позволило предположить, что влияние инсулина на гексокиназу осуществляется путем взаимодействия между дисульфидной группой инсулина (вероятно, его А-цепи) и свободной сульфгидрильной группой гексокиназы:

Правильность этого предположения была подтверждена в опытах с окситоцином и вазопрессином - гормонами гипофиза, имеющими также дисульфидные связи, как и инсулин. Взаимодействие гексокиназы с инсулином и нейрогипофизарными гормонами приводит к диссоциации ферментного белка на два активных димера. В этих условиях связывания глюкокортикоидов с гексокиназой их ингибирующее действие не проявляется (Ильин В. С. и др., 1977). Действие инсулина специфично в отношении гексокиназы, так как с другими белками (например, гемоглобином, альдолазой) инсулин не связывается (Титова Г. В., 1974).

Регулирующее влияние гормонов на активность ферментов может осуществляться различными путями. Интересные данные были получены при исследовании "каталитической эффективности" ферментов под влиянием гормонов (Сох R. P. et al., 1971). В этих исследованиях клетки HeLa культивировали в среде с преднизолоном (1,5 мкг/мл) или кортизолом (1-10-6 М). Через 12-24 ч после добавления гормонов активность щелочной фосфатазы в клетках увеличивалась в 5-20 раз, причем повышение ферментативной активности не сопровождалось ни увеличением скорости синтеза фермента, ни снижением скорости его распада. Поскольку щелочная фосфатаза является ферментом, содержащим Zn²⁺, определяли содержание цинка в ферменте до и после воздействия гормонов. Оказалось, что coдepжaниe цинка в ферментном белке после контакта с гормонами не менялось, но связывание с белком "индуцированной" фосфатазы отличалось от связывания с исходным ферментом. Авторы цитированной выше работы полагают, что увеличение каталитической эффективности щелочной фосфатазы после воздействия кортикостероидов происходит не в результате повышения скорости синтеза фермента, а вследствие увеличения активности каждой молекулы фермента. Этот эффект может быть осуществлен при помощи особого модификатора фермента, который образуется под влиянием гормонов и затем изменяет конформацию или физико-химические свойства щелочной фосфатазы.

Многие ферменты имеют в своем составе не только белковую часть (апофермент), но и низкомолекулярную часть (кофермент), причем такие ферменты активны только в виде холофермента, т. е. в виде комплекса апофермент - кофермент. В связи с этим одним из механизмов гомеостаза может быть изменение количества коферментов и прочности их связывания с апоферментами. О. Greengard и М. Gordon (1963) впервые показали "кофакторную индукцию" тирозинаминотрансферазы. В этих исследованиях адреналэктомированным крысам вводили пиридоксин (10-100 мг на 100 г массы) и нашли, что активность фермента значительно возрастала с максимумом (в 3 раза) через 4 ч после введения пиридоксииа.

Кофакторная индукция была показана также для сериндегидратазы (Khairallagh Е. A., Pitot Н. С., 1968) и треониндегидратазы (Протасова Т. Н., 1975). При исследовании механизма пиридоксиновой индукции нашли, что повышение активности сериндегидратазы в печени адреналэктомированных крыс после введения животным пиридоксина является результатом стабилизации фермента (рис. 18), так как скорость распада фермента, определяемая по выходу ¹⁴С из сериндегидратазы, снижалась {для определения скорости распада фермента животным вместе с пиридоксином вводили ¹⁴С-валин). Возможность кофакторной стабилизации ферментов возрастает при увеличении содержания коферментов в организме. Известно, что количество многих кофакторов в тканях увеличивается или уменьшается при изменении гормонального статуса животных. Посредством этого механизма создается еще одна возможность гормонального контроля ферментативной активности.

В последние годы особенно большое внимание привлекают работы относительно биологической роли цАМФ в качестве посредника действия гормонов на многие процессы обмена веществ в тканях.

Этот нуклеотид обнаружен практически во всех тканях многоклеточных организмов и у некоторых одноклеточных.

Содержание цАМФ в тканях животных составляет 1·10^-7 - 1·10^-6 М, что значительно ниже концентрации других нуклеотидов (например, АТФ ~1·10^-3 М, AДФ ~ 1·10^-4 М). Интересно, что содержание цАМФ в организме высших животных увеличивалось или уменьшалось после введения гормонов, что сопровождалось характерной физиологической реакцией на гормон. Увеличение количества цАМФ в тканях вызывали АКТГ, ЛГ (лютеинизирующий гормон), катехоламины, глюкагон, ТТГ (тиреотропный гормон), паратгормон, вазопрессин, снижение - инсулин, простагландины и для некоторых тканей - катехоламины.

Корреляцию между измененном содержания цАМФ в тканях и физиологическим ответом на тот или иной гормон удалось показать не только in vivo, но и в более простых системах. Например, добавление глюкагона в среду, в которой инкубировали кусочки печени крыс, приводило к повышению содержания цАМФ в ткани, причем этот эффект обнаруживался уже через 10 мин (Siddle К. et аl., 1973). Введение животным цАМФ и его аналога - дибутирил-цАМФ вызывает значительное повышение активности ряда ферментов. Это было установлено в отношении тирозинаминотрансферазы, пируваткиназы, сериндегидратазы, триптофаноксигеназы, гексокиназы, фосфофруктокиназы, фенилаланин- и серинаминотрансфераз, карбоангидразы и многих других ферментов. Показано участие цАМФ в действии паратгормона на клетки костной ткани и в потенцировании этого эффекта глюкокортикоидами (Chen Т. L., Feldman D., 1978). На основании совпадения изменения количества цАМФ с эффектом гормонов и было высказано предположение о роли цАМФ в качестве посредника действия гормонов.

Большое значение для выяснения роли цАМФ в опосредовании биологического действия гормонов имели исследования механизма действия фосфорилазы гликогена. Этот фермент переходит в активную форму при участии двух других ферментов; для регуляции активности одного из них - протеинкиназы - и необходим цАМФ. Протеинкиназа осуществляет фосфорилирование киназы, фосфорилазы и других белков. Согласно современным представлениям (рис. 19), протеинкиназа состоит из двух субъединиц - рецепторной и каталитической, причем этот комплекс имеет слабую активность. Рецепторная субъединица способна специфически связываться с цАМФ, что сопровождается диссоциацией фермента и освобождением высокоактивной каталитической субъединицы. Зависимые от цАМФ протеинкиназы обнаружены в большинстве тканей животных, так что роль их, вероятно, очень велика. Об этом, в частности, свидетельствует тот факт, что субстратами протеинкиназ являются белки хроматина и рибосом. Это подтверждает участие цАМФ через посредство протеинкиназы в регуляции биосинтеза белков.

В последние годы появились работы, проливающие свет на роль цАМФ в регуляции активности и индукции ферментов. Введение крысам дибутирил-цАМФ приводило к увеличению синтеза мРНК, кодирующих фосфоэнолпируваткарбоксикиназу (Iynedjian Р. В., Hanson R. W., 1977) и тирозинаминотрансферазу (Ernest М. J., Feigelson Р., 1978). Специфичность действия цАМФ на синтез мРНК для ферментов подтверждает тот факт, что общая матричная активность РНК пе изменялась. Такого рода данные позволяют думать, что цАМФ не только является посредником в действии некоторых гормонов, но и играет самостоятельную, существенную для клеточного гомеостаза роль.

Очень важным фактором гомеостаза является проницаемость клеточных и субклеточных мембран. От проницаемости мембран в значительной мере зависит активность ферментов и как следствие этого - протекание реакций обмена и адаптация живых систем к различным воздействиям. Мембраны являются чрезвычайно сложно организованными структурами липопротеидной природы. С позиций гомеостатических механизмов особое значение имеет влияние гормонов на проницаемость мембран. Данные такого рода известны давно, количество их велико, и подробное рассмотрение этого вопроса выходит далеко за рамки настоящей главы. В связи с этим целесообразно остановиться лишь на отдельных примерах, иллюстрирующих значение и механизмы проницаемости мембран.

Как уже отмечалось, в настоящее время придают очень большое значение роли цАМФ в реализации действия гормонов на клетки. Этот нуклеотид образуется из АТФ при посредстве фермента аденилциклазы. В табл. 7 приведены данные о наличии этого фермента в тканях животных и наличии ответа его на гормоны. Увеличение активности аденилциклазы в ответ на введение гормонов проявляется очень быстро. Например, этот эффект обнаруживается уже через 1 мин после добавления паратгормона к ткани почки крыс (Aurbach G. D., 1968). При определении локализации аденилциклазы в тканях нашли, что фермент "встроен" в клеточные мембраны и состоит из трех частей: регуляторной субъединицы, локализованной на внешней поверхности мембраны; каталитической субъединицы, расположенной на внутренней поверхности, и сопрягающей субъединицы, находящейся в толще клеточной мембраны. Регуляторная субъединица аденилциклазы входит в состав специфического рецептора, взаимодействующего с гормоном. В результате этого взаимодействия происходят изменение конфигурации аденилциклазы, активация ее и увеличение образования цАМФ. Помимо увеличения количества цАМФ, важным следствием воздействия на аденилциклазу может быть изменение конформации клеточной мембраны, компонентом которой является этот фермент. Однако в последнее время появились данные о влиянии и самого цАМФ на проницаемость клеточных и внутриклеточных мембран.

Добавление дибутирил-цАМФ к срезам печени крыс значительно повышало скорость транспорта аминокислот в клетки (Crawhall J. С., Purkiss Р., 1973). Если в перфузионную среду изолированной печени крыс добавляли цАМФ, то происходило статистически достоверное повышение величины мембранного потенциала, что сопровождалось ускорением выхода ионов калия из клеток (Somlyo А. P. et al., 1971).

Регуляция проницаемости клеточных мембран при транспорте глюкозы в клетки является одним из основных механизмов действия инсулина. По теории М. Rodbell и соавт. (1968), инсулин изменяет липопротеидную структуру мембраны так, что происходит переориентировка полярных групп липидов, а мембрана из ламинарной формы переходит в мицеллярную. Следствием такой перестройки является возможность поступления глюкозы и других ингредиентов в клетку.

Отчетливое действие на проницаемость мембран оказывает альдостерон, который в физиологических концентрациях влияет только на транспорт натрия и калия через эпителиальные структуры почек, слюнных и потовых желез, слизистой оболочки кишечника. Важная роль в транспорте натрия принадлежит активируемой К-Na-АТФ-азе. Этот фермент локализован в мембранах клеток, на которые действует альдостерон. В процессе транспорта АТФ-аза претерпевает ряд изменений: сначала фермент фосфорилируется при участии протеинкиназы, затем происходит изменение конформации АТФ-азы. Это, по-видимому, ключевая реакция в транспорте ионов. В целом изменения проницаемости, обусловленные гормонами и другими биологическими регуляторами, являются важными компонентами механизмов гомеостаза.

Рассмотренные в этих разделах главы клеточные механизмы индукции биосинтеза белков, регуляции их распада и структуры свойственны всем живым организмам. Однако эти механизмы играют у низших животных главную роль в процессах адаптации, а у высших они подчинены гормональным воздействиям, а также высшей нервной регуляции, значение которой рассматривается ниже.

Продолжение: Биохимические основы нервной трофики

К оглавлению

Литература [показать]