Том 1 (1129743), страница 59
Текст из файла (страница 59)
Разные членысемейства содержат различные последовательности аминокислот на обоих концахкиназной последовательности (например, см. рис. 3.10) и часто имеют короткие последовательности аминокислот, вставленные в петли внутри нее (красные стрелкина рис. 3.65). Некоторые из таких дополнительных аминокислотных последовательностей позволяют каждой киназе распознавать определенный набор белков,ею фосфорилируемый, или связываться со структурами, которые удерживают ее вопределенных областях клетки. Другие составные части этого белкового ферментарегулируют активность данной киназы, так что она может быть «включена» и «выключена» в ответ на различные специальные сигналы, как будет описано ниже.На основании сравнений числа различий в аминокислотной последовательностиразных членов семейства белков можно построить «эволюционное дерево», которое,как думают, отражает схему событий дублирования и расхождения генов, которыеи повлекли за собой развитие семейства.
На рис. 3.66 изображено эволюционноедерево протеинкиназ. Киназы с близкими функциями часто расположены на близлежащих ветвях дерева: например, все протеинкиназы, участвующие в передачесигналов в клетке, завершающейся фосфорилированием боковых цепей тирозина,группируются в верхнем левом углу дерева. Другие представленные здесь кина-Рис. 3.66.
Эволюционное дерево избранных протеинкиназ. Хотя всякая клетка высших эукариот содержит сотни таких ферментов, а геном человека кодирует более 500, лишь некоторые из упоминаемых вэтой книге показаны на данном рисунке.Глава 3. Белки 301зы фосфорилируют боковые цепи серина либо треонина, а многие организованыв группы, которые, кажется, отражают их функцию — трансмембранную передачусигналов, усиление внутриклеточных сигналов, управление клеточным циклом итак далее.В результате совместных действий протеинкиназ и протеинфосфатаз фосфатныегруппы на белках непрерывно оборачиваются — присоединяются и затем быстроудаляются.
Такие циклы фосфорилирования могут показаться неэкономными, ноони важны уже лишь тем, что позволяют фосфорилируемым белкам быстро переключаться из одного состояния в другое: чем быстрее цикл, тем быстрее совокупностьбелковых молекул может изменить свое состояние фосфорилирования в ответ навнезапное изменение скорости фосфорилирования (см. рис. 15.11). Энергия, необходимая для подпитки такого цикла фосфорилирования, поступает от гидролизаATP – на одно событие фосфорилирования расходуется одна молекула ATP.3.2.22. Регулирование Cdk- и Src-протеинкиназ показывает, какимобразом белок может функционировать в качестве микрочипаСотни различных протеинкиназ, находящихся в ядерной клетке, организованы в сложные сети путей передачи сигналов, которые помогают координироватьдействия клетки, осуществлять клеточный цикл и проводить сигналы в клетку изокружающей ее среды.
Нужно, чтобы многие из пробегающих по этой сети внеклеточных сигналов и интегрировались и усиливались клеткой. Отдельные протеинкиназы (равно как и прочие сигнальные белки) служат своеобразными устройствамиввода-вывода, или «микрочипами», в процессе интеграции сигналов. Важныйвклад в такие обрабатывающие сигналы системы белков вносит регулирование их«работы» путем присоединения к ним и удаления с них фосфатов соответственнопротеинкиназами и протеинфосфатазами.Вообще, если одни наборы фосфатных групп служат для активации белка,то другие наборы могут инактивировать его.
Хорошим примером служит циклинзависимая протеинкиназа (Cdk). Киназы этого класса фосфорилируют серин итреонин и выступают ключевыми составляющими системы управления клеточным циклом в клетках эукариот, о чем будет подробно рассказано в главе 17. Вклетке позвоночных отдельные белки Cdkвключаются и выключаются в определенной последовательности, по мере того какклетка проходит различные этапы цикладеления. Когда киназа активна, она влияетна различные моменты поведения клеткиза счет воздействий на фосфорилируемыеею белки.Белок Cdk начинает проявлять действие серин/треонин-протеинкиназы только будучи связанным со вторым белком,названным циклином. Но, как видно наРис.
3.67. Как белок Cdk выполняет роль интегрирующего устройства. Функция этих главных регуляторовклеточного цикла обсуждается в главе 17.302Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 3.68. Доменная структура семейства Src-протеинкиназ, нанесенная на карту последовательностиаминокислот. Желающим увидеть трехмерную структуру Src следует обратиться к рис.
3.10.рис. 3.67, связывание циклина есть лишь один из трех разных «вводов», необходимых для активации Cdk. В дополнение к связыванию циклина, к боковойцепи определенного треонина должен быть присоединен фосфат, а в другом местебелка должен быть удален один фосфат (ковалентно связанный с боковой цепьюопределенного тирозина). Cdk, таким образом, отслеживает определенный наборкомпонентов клетки: циклин, протеинкиназа и протеинфосфатаза — и выступаетустройством «ввода-вывода», которое включается тогда и только тогда, когда всеэти компоненты достигают положенного им состояния активности.
Концентрациянекоторых циклинов растет и падает в ногу с клеточным циклом, постепенно повышаясь в количестве, пока они внезапно не будут разрушены в определенной точкецикла. Внезапное разрушение циклина (путем целенаправленного протеолиза)немедленно выключает его партнера — фермент Cdk, и это событие запускаетопределенный этап клеточного цикла.Поведение семейства Src-протеинкиназ (см. рис. 3.10) тоже напоминает работумикрочипов — по аналогии с вышеописанным. Белок Src (произносится «сарк»и назван по имени типа опухоли — саркомы, — которую прекращение его регулирования может вызвать) был первым из открытых тирозинкиназ. Он, как нынеизвестно, является частью подсемейства из девяти весьма подобных протеинкиназ,которые обнаружены только у многоклеточных животных. Как видно по эволюционному дереву на рис.
3.66, сравнения последовательностей говорят о том, чтотирозинкиназы как группа были относительно поздним новшеством, которое ответвилось от серин/треонинкиназ, причем подсемейство Src является только однойиз нескольких подгрупп тирозинкиназ, появившихся таким способом.Белок Src и родственные ему белки содержат короткую N-концевую область,которая ковалентно связана с сильно гидрофобной жирной кислотой, что удерживает киназу у соприкасающейся с цитоплазмой стороны плазматической мембраны.Затем идут два связывающихся с пептидом модуля, гомологичный Src домен 3(SH3) и домен SH2, за которыми следует каталитический домен киназы (рис.
3.68).Такие киназы обычно пребывают в неактивной конформации, в которой фосфорилированный тирозин около C-конца связан с доменом SH2, а домен SH3 связан свнутренним пептидом, в результате чего активный участок фермента оказываетсяискаженным, что способствует его переходу в неактивное состояние.В активацию киназы вовлечены по крайней мере два определенных процесса:удаление C-концевого фосфата и связывание с доменом SH3 специфического активирующего белка (рис.
3.69). Подобно активации белка Cdk, активация Src-киназысигнализирует о завершении череды отдельных событий и о ее готовности войтив череду следующих (рис. 3.70). Таким образом, и семейство Cdk и семействоSrc-белков служат своеобразными интеграторами сигналов и способствуют организации сложной сети событий обработки информации, которая позволяет клеткевыстраивать логические ответы на сложный набор условий.Глава 3. Белки 303Рис. 3.69. Активация протеинкиназы Src-типа двумя последовательными событиями. (Переработаноиз S. C. Harrison et al., Cell 112: 737–740, 2003. С любезного разрешения издательства Elsevier.)3.2.23. Белки, которые связывают и гидролизуют GTP, суть вездесущие клеточные регуляторыМы описали то, как процессы присоединения к белку фосфатных групп илиих удаления с него могут быть использованы клеткой для управления активностьюэтого белка.
В доселе рассмотренных нами примерах фосфат переносится с молекулы ATP на боковую цепь входящей в состав белка аминокислоты в ходе реакции,катализируемой определенной протеинкиназой. Клеткам эукариот знаком также идругой способ управления активностью белка – путем присоединения и удаленияфосфата. В этом случае фосфат не присоединяется непосредственно к белку; вместоэтого, он является частью гуанинового нуклеотида GTP, который очень прочносвязывается с белком.
Вообще, белки, регулируемые таким способом, находятсяв своих активных конформациях, будучи связаны с GTP. Потеря фосфатнойгруппы происходит, когда связанный GTP гидролизуется до GTP в ходе реакции,катализируемой самим белком, и в таком связанном с GDP состоянии белок неактивен. Таким способом GTP-связывающие белки работают двухпозиционнымипереключателями, активность которых определяется присутствием или отсутствиемдополнительного фосфата на связанной молекуле GDP (рис.
3.71).GTP-связывающие белки (называемые также GTPаза ввиду катализируемогоими гидролиза GTP) охватывают большое семейство белков, все из которых содержат разновидности одного и того же связывающего GTP глобулярного домена.Когда прочно связанный GTP гидролизуется до GDP, этот домен подвергаетсяконформационному изменению, в результате которого инактивируется. Трехмернаяструктура прототипного члена этого семейства, мономерной GTPазы, известной подназванием Ras, показана на рис. 3.72.Белок Ras играет важную роль в передаче сигналов в клетках (обсуждаетсяв главе 15).
В связанной с GTP форме он активен и стимулирует каскад реакцийфосфорилирования белка в клетке. Бóльшую часть времени, однако, белок находитсяв неактивной, связанной с GDP форме. Он становится активным, когда заменяетсвою молекулу GDP на молекулу GTP в ответ на внеклеточные сигналы, такие304Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 3.70. Принцип работы протеинкиназы Src-типа вкачестве интегрирующего устройства. Нарушение взаимодействия с доменом SH3 (зеленый) состоит в заменеего связывания с обозначенной красным связующей областью на более сильное связывание с активирующимлигандом, как показано на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
