Том 1 (1129743), страница 58
Текст из файла (страница 58)
Белки 295Рис. 3.61. Кооперативный аллостерическийпереход в ферменте, состоящем из двух идентичных субъединиц. На данной схеме показанмеханизм, посредством которого конформацияодной субъединицы может влиять на конформацию соседней. Связывание одной молекулыингибирующего лиганда (желтого) с однойсубъединицей фермента происходит с трудом,потому что приводит к изменению конформацииэтой субъединицы и таким образом нарушаетсимметрию фермента.
Однако, как только такое конформационное изменение произошло,выигрыш в энергии, получаемый при восстановлении симметричности спаривания междуэтими двумя субъединицами, обусловливаетвозможность особенно легкого связываниявторой субъединицы ингибирующего лигандас осуществлением того же конформационногоперехода.
Поскольку связывание первой молекулы лиганда увеличивает сродство, с которымдругая субъединица связывает тот же лиганд,реакция фермента на изменение концентрацииэтого лиганда намного более резкая, нежелиотклик фермента, состоящего лишь из однойсубъединицы (см. рис. 3.60).Благодаря сочетанию биохимиии рентгеновской кристаллографииудалось выявить множество захватывающих подробностей такого аллостерического перехода. Каждая из регуляторных субъединиц имеет два домена, исвязывание CTP вызывает смещение этих двух доменов друг относительно друга,так что они работают подобно рычагу, который поворачивает два каталитическихтримера и подтягивает их ближе друг к другу в состоянии T (см. рис. 3.62).
Когдаэто происходит, между противостоящими каталитическими субъединицами образуются водородные связи. Это помогает расширить углубление, которое образуетактивный участок в пределах каждой каталитической субъединицы, и таким образомразрушает участки связывания субстратов (рис. 3.63). Увеличение количества субстрата вызывает противоположный эффект — когда предпочтение отдается состоянию R, ибо происходит связывание субстрата в углублениях всех каталитическихсубъединиц, что противодействует вышеописанному конформационному изменению.Конформации, которые являются промежуточными между состояниями R и T,неустойчивы, так что фермент главным образом перескакивает туда-сюда междусвоими R- и T-формами, давая смесь этих двух разновидностей в соотношениях,которые зависят от относительных концентраций CTP и субстратов.296Часть 1.
Введение в мир клеткиРис. 3.62. Переход между состояниями R и T в ферменте аспартаттранскарбамоилазе. Этот ферментпредставляет собой комплекс из шести каталитических субъединиц и шести регуляторных субъединиц;структуры неактивной (состояние T) и активной (состояние R) форм этого фермента были определены спомощью рентгеноструктурной кристаллографии.
Фермент «выключается» посредством ингибирования по типу обратной связи, когда концентрация CTP повышается. Каждая регуляторная субъединицаможет связать одну молекулу CTP — один из конечных продуктов пролегающего через данный ферментметаболического пути. Посредством такой регуляции по типу отрицательной обратной связи этот путьогражден от производства бóльшего количества CTP, чем это необходимо клетке. (В основу рисунка положена иллюстрация из K. L. Krause, K. W. Volz and W. N. Lipscomb, Proc. Natl.
Acad. Sci. USA 82: 1643–1647,1985. С любезного разрешения National Academy of Sciences.)3.2.20. Многие изменения в белках осуществляются за счет фосфорилированияБелки регулируются отнюдь не только обратимым связыванием с какими-либодругими молекулами. Второй способ, к которому эукариотические клетки прибегаютдля регулирования функций белков, — ковалентное присоединение более мелкоймолекулы к одной или нескольким боковым цепям аминокислот белка.
Наиболееобычной формой такой регуляторной модификации у высших эукариот являетсяприсоединение фосфатной группы. Поэтому мы используем фосфорилированиеГлава 3. Белки 297Рис. 3.63. Часть переключателя типа «включено-выключено» в каталитических субъединицах аспартаттранскарбамоилазы. Изменения в обозначенных водородных связях отчасти ответственны за переключение активного участка этого фермента на активную (желтая) или неактивную конформацию.Водородные связи обозначены тонкими красными линиями.
Аминокислоты, вовлеченные во взаимодействие субъединица–субъединица в состоянии T, показаны красным, тогда как те, что образуютактивный участок фермента в состоянии R, показаны синим. На больших рисунках показан каталитическийучасток изнутри; заключенные в рамку эскизы показывают те же субъединицы на внешней поверхностифермента. (Переработано из E. R. Kantrowitz and W. N. Lipscomb, Trends Biochem.
Sci. 15: 53–59, 1990. Слюбезного разрешения издательства Elsevier.)белка для иллюстрации некоторых общих принципов, лежащих в основе управленияфункцией белка путем модификации боковых цепей аминокислот.Событие фосфорилирования может воздействовать на модифицируемый белокпо двум важным путям.
Во-первых, поскольку каждая фосфатная группа несет дваотрицательных заряда, то катализируемое ферментом присоединение фосфатнойгруппы к белку может вызвать значительное конформационное изменение в этомбелке за счет, например, притяжения группы положительно заряженных боковыхцепей аминокислот. Это может, в свою очередь, повлиять на связывание лигандов итем самым заметно изменить активность фосфорилированного белка по сравнению сисходным. Когда второй фермент удаляет фосфатную группу, белок возвращается298Часть 1. Введение в мир клеткив исходную конформацию и восстанавливает первоначальную активность.Во-вторых, присоединенная фосфатная группа может образовать часть структуры, которую опознают участки связывания других белков.
Как было сказаноранее, некоторые белковые домены, иногда называемые модулями, довольно частовходят в состав более крупных белков. Одним из таких модулей является доменSH2, описанный ранее, который связывается с короткой пептидной последовательностью, содержащей фосфорилированную боковую цепь тирозина (см. рис.3.39, б). Более десяти других весьма распространенных доменов служат участкамисвязывания для прикрепления несущего их белка к фосфорилированным пептидам,входящим в состав других белковых молекул, при этом каждый из этих доменовраспознает фосфорилированную боковую цепь аминокислоты лишь в определенномпептидном контексте.
В результате фосфорилирование и дефосфорилированиебелка очень часто выступают движущей силой регулируемой сборки и разборкибелковых комплексов (см. рис. 15.22).В клетках эукариот обратимое фосфорилирование белка обеспечивает управле-Рис. 3.64. Фосфорилирование белка. В типичной эукариотической клетке многие тысячи белков модифицируются путем ковалентного присоединения фосфатной группы. а) Приведенная здесь общая схемареакции дает представление о том, как с помощью протеинкиназы фосфатная группа ATP переноситсяна боковую цепь аминокислоты целевого белка.
Удаление фосфатной группы катализируется вторымферментом — протеинфосфатазой. В данном примере фосфат модифицирует боковую цепь серина; вдругих случаях фосфат, вместо этого, присоединяется по группе –ОН треонина или тирозина целевогобелка. б) Фосфорилирование белка протеинкиназой может либо увеличивать, либо уменьшать активность белка — в зависимости от участка фосфорилирования и структуры этого белка.Глава 3. Белки 299ние активностью, структурой и размещением в клетке как ферментов, так и белковмногих других типов.
Фактически, такая регуляция настолько всеобъемлюща, чтоболее трети из 10 000 или около того белков в типичной клетке млекопитающих,как думают, подвергается фосфорилированию в любой момент времени — и многиеболее чем одним фосфатом. Как можно ожидать, добавление фосфатных групп копределенным белкам и «отъятие» первых от последних часто происходит в ответна сигналы, определяющие некоторое изменение в состоянии клетки.
Например,сложная череда событий, которая имеет место во время деления эукариотическойклетки, в значительной степени хронометрируется именно таким способом (будетраскрыто в главе 17) и многие сигналы, опосредствующие межклеточные взаимодействия, передаются с плазматической мембраны к ядру при помощи каскадасобытий фосфорилирования белка (рассмотрим в главе 15).3.2.21. Все эукариотические клетки содержат богатый набор протеинкиназ и протеинфосфатазПроцесс фосфорилирования белка включает в себя катализируемый ферментом перенос конечной фосфатной группы молекулы ATP на гидроксильнуюгруппу боковой цепи серина, треонина или тирозина в молекуле этого белка (рис.3.64). Эта реакция катализируется протеинкиназой и является в высшей степениоднонаправленной из-за высвобождения большого количества свободной энергиипри разрыве межфосфатной связи в ATP с последующим образованием ADP (очем говорилось в главе 2).
Протеинфосфатаза катализирует обратную реакцию –удаление фосфата, или дефосфорилирование. Клетки содержат сотни различныхпротеинкиназ, каждая из которых отвечает за фосфорилирование своего белка илинабора белков. Имеется в них также множество различных протеинфосфатаз; некоторые из них крайне специфичны иудаляют фосфатные группы только содного или с нескольких белков, тогдакак другие работают с широким диапаРис. 3.65.
Трехмерная структура протеинкиназы.Нанесенные на эту структуру красные стрелкиуказывают участки, в которых у некоторых членов семейства протеинкиназ были обнаруженывставки размером 5–100 аминокислот. Эти вставки расположены в находящихся на поверхностифермента петлях, где другие лиганды взаимодействуют с этим белком. Таким образом, они служатотличительными признаками различных кинази обусловливают характерные для них взаимодействия с другими белками. ATP (который отдает фосфатную группу) и пептид, подлежащийфосфорилированию, удерживаются в активномучастке, который простирается между связывающей фосфат петлей (желтой) и каталитическойпетлей (оранжевой). См.
также рис. 3.10. (Переработано на основе D. R. Knighton et al., Science253: 407–414, 1991. С любезного разрешенияиздательства AAAS.)300Часть 1. Введение в мир клеткизоном белков и нацеливаются на определенные субстраты своими регуляторнымисубъединицами. Состояние фосфорилирования белка в любой момент времени, итем самым его активность, зависит от относительной активности протеинкиназ ипротеинфосфатаз, которые его модифицируют.Протеинкиназы, которые фосфорилируют белки в ядерных клетках, принадлежат к очень большому семейству ферментов, которые имеют общую каталитическую(киназную) последовательность из приблизительно 290 аминокислот.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
