Биохимия 2 (1984) (1128710), страница 34
Текст из файла (страница 34)
При болыпинстве физиологических состояний фогфарилаза Ь неактивна вследсювие иигибируюи(ега дгистеич А7Р и глюкоза-6-фасфагпа. В противоположность этому фосфорилаэа а полностью активна независимо от содержания АМР, АТР и глюкоза-6-фосфата. Доля активного фермента определяется прежде всего скоростями фосфорилирования и дефосфорилирования. В неработающей мышце почти весь Фоофврмнало В (актнвнан я-форма) Фоофорняввв В (нввктнвнвн т.форма) Фооформвавв в Фоойифнввав в (нввктивная (активная яформв) т форма) Рис. 16.5.
Схематическое изображение регуляции гликоген-фосфорилазы в скелетных мышцах. Фермент может принимать каталитически неактивную Т (напряженную) конформацию или активную К (релаксированную) конформацию. Равновесие й Т для фосфорилазы а сдвинуто далеко в сторону активного (1-состояния, В противоположность этому фосфорилаза Ь находится преимущественно в неактивном Т-состоянии, исключая случаи, когда содержание АМР находится на высоком уровне, а содержание АТР и глюкоза-6-фосфата— на низком. При большинстве физиологических состояний доля активного фермента определяется скоростями фосфорилирования и дефосфорилирования. фермент находится в неактивной Ь-форме.
Как будет указано в следующем разделе, повышенное содержание адреналина и электростнмуляция мышцы приводя~ к образованию активной а-формы. 16.И. Трехмерная структура гликоген-фосфорилазы Рентгенокристаллографические исследования а- и Ь-форм гликоген-фосфорилазы значительно облегчили изучение каталитических и регуляторных механизмов этого ключевого фермента метаболизма. 841 аминокислотный остаток мономерной субъединицы компактно упакованы в три структурных домена (рис. 16.6): аминпкпн- Часть П. Геиерироаанме 124 и хранение энергии цевой домен (310 остатков), гликпген-связывая)и(ий дол)ен (160 остатков) и карбоксикпнцевпй долген (371 остаток). Каталитический центр локализован в глубокой щели, образованной остатками аминокислот каждого из этих трех доменов.
Такая защита активного центра от водной среды должна, очевидно, благоприятствовать преобладанию фосфоролиза нвд гидролизом. Пиридпксалыфпсфат (витамин Вв), который необходим для действия фермента, связывается вблизи участка присоединения глюкоза-1-фосфата. Альдегидная группа этого кофактора образует шнффово основание с лизиновой боковой цепью С-концевого домена. Сохранение ферментатнвной активности после восстановления шиффова основания боргилридом говорит о том, что в данном случае альдегидная группа в отличие от таковой в случае других пиридоксалевых ферментов не участвует в катализе.
В то же время фосфорильная группа пиридоксальфосфата, по-внлимому, принимает прямое участие в катализе. В молекуле фосфорилазы имеется также участок связывании гликогена, отстоящий от каталитического центра на 30 А, Этот участок имеет важное значение для присоединения фермента к частице гликогена. Благодаря такому большому расстоянию между местом связывания гликогена и каталитическим центром фермент может осуществлять фосфоролиз многих концевых остатков, не претерпевая диссоциацни и реассоциации после каждого каталитического цикла.
Помимо этого фосфорилаза содержит по меньшей мере два аллостерических участка контролю Глюкоза н нуклеозиды, являющиеся аллостерическими ингибиторами печеиочной фосфорилазы а (разд. 16.! 8), связываются вблизи каталитического центра. АМР, аллостерический активатор фосфорилазы Ь, связывается рядом с границей между субъединицами, далеко от каталитического центра и участка Участок связывания частицы гянкогвна ання фосфата Рве. 16.6. 16.
Гликогеи и обмен дисахаридов !25 Схемат ическое изображение а-углеродного остова фосфорилазы а, Показана локализация каталитически активного центра, а также участков связывания частицы гликогена, аллостерических центров и участков фосфорилирования. (Печатается с любезного разрешения д-ра КоЬегг Р1епебс1с, д-ра )к)е)1 Маг)зеп, д-ра Регег Казу)пз)су,) связывания гликогена. Серии-14, место фвсфорилированил при превращении фосфорилазы Ь в фосфорилазу а, также локализован вблизи границы между субьединицами. Эта фосфорильная группа в фосфорилазе а соединена волородной связью с боковой цепью аргинина-69. В то же время область, охватывающая 19 Х-концевых остатков в фосфорилазе Ь, не имеет строго определенной структуры. Эта область Ь-формы напоминает по гибкости очень подвижный активационный домен в трип- синогене, который принимает строго упорядоченную конформацию при превращении в трипсин (разд.
8.!1). Детальные исслепования структурных изменений, вызываемых фосфорилированием и аллостерическими эффекторами, находятся в процессе развития. Но уже сейчас ясно, что гликоген-фосфорилаза представляет собою утонченный интегратор информации об энергетическом метаболизма клетки. 16.13. Киназа фосфорилазы также активируется путем фосфорилироваиия Активность киназы фосфорилазы также регулируется путем .ковалентной модификации. Киназа фосфорилазы, полобно фосфорилазе, превращается из формы с низкой активностью в выеокоактивную форму в резуттате фаефоривированил.
Фермент, катализирующий эту активацию, является компонентом системы гормон — циклический АМР, которую мы рассмотрим несколько позднее. Киназа фосфорилазы мо- Мыввчнов сокращение о кинава, нв содержащая Са" Фосфорилированная кииаза Са'-киназ» Частично активная Полностью активная Неактивная Участок связывания лиридоксальфосфата Рис.
16.7. жет быть частично активирована и другим путем, под действием Са в концентрациях порядка !О ' М, Этот механизм активации имеет лля биологических процессов важное значение, поскольку мышечное сокрашение запускается высвобождением Са"' (гл. 34). Таким образом, расщепление гликогена и мышечное сокращение связаны преходящим увеличением содерзкания Са'+ е цитоплаз.тте, 16.14.
Гяикогеи-синтаза ниактивируется прн фосфорилировании спецвфического серииового остатка Синтез гликогена тесно коорлинирован с его расшсплснием. Активность гликогсн- синтазы, подобно активности фосфори- лазы, регулируется путем ковалентной мо- . Участок с з запив частицы тливо вна Участок связывания АМР Аитианыа Схематическое изображение димера фосфорилаэы Ь по направлению оси симметрии второго порядка, показываюШая расположение доменов и связывающих мест.
[%еЬег 1.Т., 1оЬпвоп 1..Х., 9У(1- зоп К. 8., Теа1ез О. О. й., %(! д 13.1ы 3епрйпз 1.А., !На!иге, 274, 433 (1978).1 Часть П. Генерирование 126 и хранение эиерзжи дификации. В результате фосфорилирования гликоген-синтаза а превращается в обычно неактивную форму Ь. Фосфорилированная Ь-форма (называвшаяся раньше 13, или зависимая форма) требует для своей активности больших количеств глюкоза-6-фосфата„тогда как дефосфорилированная а-форма (ранес называемая 1, или независимая форма) активна и в присутствии, и в отсутствие глюкоза-б-фосфата.
Таким образом, фосфорилирояание оказывает протиеополозкно направленное действие на активности гликогют-синтезы и г,шкоген-фосфорилазы. 16.15. )каскад реакций контролирует фосфорилироваиие гликоген-сннтазы и гликоген-фосфорилазы Рассмотрим теперь связь между гормонами, влияюшими иа обмен гликогена, н реакциями фосфорилирования, определяю- шими активности гликоген-синтазы и гликоген-фосфорилазы, При этом происходит следузошая последовательность реакций (рис. 16.9): !. Адреналин связывается с плазматичсской мембраной мышечной клетки и стимулирует еденилатциклазу.
2. Аденилатциклаза катализирует в плазматической мембране образование циклического АМР из АТР. 3. Повышенное внутриклеточное содержание циклического АМР активирует протеинкиназу. В отсутствие циклического АМР эта киназа неактивна, связывание циклического АМР приводит к ее аллостерической стимуляции (гл. 35). 4, Зависимая от циклического АМР протеинкиназа фосфорилирует киназу фосфорнлазы и гликоген-синтазу. Фосфорилироеание обоих ферментов лезкит е основе координироеапной регуляции синтеза и расщепления гликогена. Оно приводит к «включениюн фосфорилазы (при посредстве киназы фосфорилазы) и к одновременному «еыключениюь гликоген-синтезы (прямым путем).
Рис. 16йй Фосфорипаза а Фоофоьипаза ь +Рг Зег — Π— РО г- 3 Яег — ОН !6. Глнкогеи и обмен дисахарндов 127 Электронная микрофотография. на которой показана локализаэия частиц гликогеиа в сердечной мышце. (Печатается с любезного разрешения д-ра Воп %. Раогсеи.) 16.16. Фосфатазы вызывают обращение регуляториых эффектов кяпаз Изменения ферментативной активности, вьгзываемые фосфорилированнем, могут быть обращены путем гидролитического удаления фосфорильной группы.
Например, превращение фосфорилазы а в фосфорилазу Ь катализируется фосфотазой гбоггбориггазьг. Данный фермент гидролизует также фосфорильную группу активной формы киназы фосфорилазы, вызывая ее инакти- нацию. Кроме того, эта же фосфатаза удаляет фосфорильпую группу из гликогенсинтазы Ь, превращая ее в значительно более активную а-форму. Таково еше одно молекулярное устройство, обеспечивающее координированный синтез и расщепление гликогсна. Активность фосфатаз также, повидимому, регулируется. Например, сочетание Са' и М8-АТР ингибирует фосфатазу фосфорилазы, но активирует киназу фосфорилазы.
Фосфатаза гликоген-синтазы в мышцах иигибируется гликогеном. Поэтому при высоком содержании гликогена мышечная гликоген-синтеза будет оста- ваться в фосфорилированной Ь-форме. Сигнал, возникающий при образовании циклического АМР, также может быть «выключен». Фосфодиэфирная связь в ци- Ннг ! НФ С Н с сн НС..С Н Н О О О=Р циклическим яМР йн , С ге . Н ! (~ сн Нсьь .С „(' И О (! "Π— Р— О— О + Н+ НО ОН ЯМР клнческом АМР гидролизуется специфической фосфодиэстеразой с образованием АМР, который не активирует протеинкиназу. Значение Лб~' этой высокоэкзергонической реакции составляет — 11,9 ккал!моль.
Часть Н. Генерирование 128 и хранение энергии 16.17. Каскад реакций амплнфицирует гормональный сигнал Каскад ферментатнвных реакций в регуляции обмена гликогена аналогичен каскаду протеолитическнх реакций при свертывании крови (разд. 827). В обоих случаях ферментативный каскад создает высокую , степень ампяификации. В случае распада гликогена имеются три ферментативные сталин контроля, тогда как при синтезе гликогена таких стадий две. Если бы имела место прямая регуляции гликоген-фосфорилазы и гликоген-синтазы путем связывания адреналина, количество гормона, необходимое для усиления распада гликогена, было бы более чем в тысячу раз выше того количества, которое требуется в присутствии амплифицирующего каскада.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
