Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 287
Текст из файла (страница 287)
За такими всплесками концентрации Саг' часто следуют следующие всплески, длящиеся обычно несколько секунд Грие. 15.42). Колебания Саг' могут продолжаться столько времени, сколько рецепторы на поверхности клетки остаются активированными. Считают, что, по крайней мере частично, волны и колебания зависят от сочетания положительных и отрицательных обратных связей между кальцием и 1Р -рецепторами и рианодиновыми рецепторами: высвобождаемый Саг' сначала стимулирует дальнейшее выделение Саг' обоими рецепторами в процессе, носящем название Саг'-индуцированного высвобождения кальция; но затем, как только его концентрация становится высокой, Саг' ингибирует высвобождение, и такая отрицательная обратная связь с задержкой приводит к колебаниям (см.
Рис. 15.28, г). За колебаниями кальция на специфических Саг'-чувствительных белках можно наблюдать в реальном времени при помощи методов визуализации целых клеток, экспрессирующих флуоресцентные репортерные белки. Например, можно показать, что при ответах на некоторые сигналы при каждом пике кальция РКС рекрутируется к плазматической мембране, где она временно фосфорилирует репортерный белок.
Частота колебаний Саг' отражает силу внеклеточного стимула (см. Рис. 15.42) и может быть преоГ>разована в частотозависимый клеточный ответ. В некоторых случаях частотозависимый ответ сам по себе является колеГ>ательным: в секретирующих гормоны клетках гипофиза, например, стимуляция внеклеточным сигналом концентрация евзопрессинв 0,4 нМ 0,6 нМ 0,9 нМ 600 г [Са ) нМ 200 10 20 30 40 50 60 70 время (мин) Рис.
15.42. Вызванные вазопрессином колебания Саг' в клетне печени. В клетку ввели Са"-чуесгвительный белок зкворин и подействовали на нее разными концентрациями пептидной сигнальной молекулы вазопрессина, активирующего бРСй и, следовательно, Рссб (см. таблицу 15.2). Обратите внимание, что частота пиков Саг" возрастает с увеличением концентрации вазопрессина, но амплитуда не меняется.
Продолжительность каждого всплеска составляет окало 7 секунд. (Адаптировано из и. М. УУоог)з, К. 5. й. СигЬЬегтзоп апг( Р. Н. Соььо(б, Гуатоге 319: 500-602, 1995. С любезного разрешения издательства Маспкйап Роы(зьегз 'стсЦ приводит к регулярным всплескам Саг', каждый из которых соответствует секреции гормона. В других случаях частотозависимый ответ не является колебательным: в некоторых типах клеток, например, одна частота пиков Саг активирует транс крипцию одного набора генов, а большая частота — другого.
Как клетки чувствуют частоту колебаний Саг' и подстраивакгт под нее свой ответ? Предположительно, механизм зависит от Саг .чувствительных белков, изменяющих свою активность в зависимости от частоты пиков Саг'. По видимому, таким удивительным свойством обладает протеинкиназа, служащая молекулярным устройством памяти. "г Ь.2.7. Саг+(калыиодулин-зависимые протеинкиназы (Сай([-киназы) Олос(зедукзт мнОГие ОтВеты жиВОтных клетОк на сиГналы Са + Разнообразные Саг' зависимыс белки способствуют передаче цитоплазматического сигнала Саг . Самым важным из них является кальмодулин, содержащийся во всех эукариотических клетках и составляющий до 1;: всей массы белка. Кальмодулин служит многофункциональным внутриклеточным рецептором Саг', управляя>щим многими регулируемыми кальцием процессами.
Он представляет собой высококонсервативную полипептидную цепь, четыре активных сайта которой с высоким сродством связывают Саг' (рис. 15.43, а). При активации, вызванной 1404 Часть')т/.бн)/тгргвинэш организация клетки эт ,. Са Нэ Нэ н ноос нм Ннэ он оон б) Св в) Рис. 15.43.
Структура Са"/кэльмодулинв, основанная нэ исследованиях методами рентгеновской дифрэкции и ЯМР. а) Молекула имеет гэнтелевидную форму с двумя глобул яр ными концами, свяэывэющимися с белками-мишенями. Глобулярные участки соединены длинной а-спиралью, позволяющей белку принимать различные конформации в зависимости от того, с каким белком-мишенью он взаимодействует. Глобулярные участки несут по два Сэт'-связывающих домена. 6) Структурная перестройка Сат'/кальмодулина при связывании с белком-мишенью !в данном случае с пептидом, представляющим собой Сам/кэл ьмодулин-связывающий домен Сат'/кап ьмодулин-завнсимой протеин хи наты). Обратите внимание, что Сат'/кальмодулин сложился вдвое и окружил белок. При связывании других мишеней он может принимать другие конформации.
!в, на основе данных рентгеновской кристаллографии из у. 5. Ваьи ет э!., Иотиге 315: 37-40, 1985. С любезного разрешения издательсотва Масгпйап Ри Ы)энегз С!66 б, на основе данных рентгеновской кристаллографии из уу. Е. Меэ6ог, А. я. Меэпэ эп6 Е. А. Оиосьо, 5сгепсе 257: 1251-1255, 1992, и данных ЯМР из М. )йигэ ет а!., 5оелсе 256: 632-638, 1992. С любезного разрешения издательства ААА5.) связыванием Саз', кальмодулин претерпевает конформационные изменения. Поскольку для принятия активной конформации белок должен связать два или более ионов качьция, он реагирует на увеличение концентрации Саэ' по переключатель- ному механизму (см, рис. 15.25): десятикратное увеличение концентрации Саз обычно приводит к пятидесятикратному увеличению активности кальмодулина. Аллостерическая активация кальмодулина кальцием аналогична аллостерической активации РКА циклическим АМР, за исключением того, что Саэ' кальмодулин сам по себе не обладает ферментативной активностью — он действует за счет связывания и активации других белков.
В некоторых случаях кальмодулин служит постоянной регуляторной субьединицей ферментного комплекса, но обычно связывание Саз' позволяет кальмодулину связываться с различными белками мишенями клетки и изменять их активность. Когда активированная молекула Саэ' кальмодулина связывается с белком мишенью, конформапия кальмодулина опять измегиется в зависимости от конкретного белка-мишени (см. рис.
15.г)3, б). Среди мишеней кальмодулнна можно выделить 15.2. Сигнализация посредством поверхностных сопряженных рецепторов 1405 ферменты и мембранные транспортные белки. Например, Саз'/кальмодулин связывает и активирует Саз'-насос плазматической мембраны, использующий энергию гидролиза АТР для откачки кальция из клетки (см, рис, 15.41). Таким образом, при увеличении концентрации Саа' в цитозоле активируется насос, способствующий возвращению концентрации цитоплазматического Саз' к уровню в покое. Однако механизм действия Саз' может быть менее прямым и опосредоваться фосфорилированием белков, катализируемым семейством серии-треониновых протеинкипаз, носящих название Саз+, кальмодулин-зависимых киназ (СаМ-киназ). Некоторые СаМ-киназы 9юсфорилируют белки-регуляторы генов, например белок СПЕВ (см. рис.
15.3б), и таким образом активируют или ингибируют транскрипцию определенных генов. Одной из наиболее изученных СаМ-киназ является СаМ-киназа П, которая встречается во всех животных клетках, но особенно много ее содержится в нервной системе. В некоторых областях мозга она составляет до 2 ' всей массы белка, и ее очень много в синапсах. У СаМ-киназы П есть два очень важных свойства, связанных между собой. Во-первых, она может служить молекулярным устройством памяти, т.е, она активируется под действием Сат'1кальмодулина и может оставаться активной даже после затухания кальциевого сигнала.
Этот эффект объясняется тем, что киназа фосфорилирует сама себя (этот процесс называется автофосфорилированием) и другие белки при активации Саа'/кальмодулином. В автофосфорилированном состоянии фермент сохраняет активность даже в отсутствие Саз', что увеличивает продолжительность киназной активности после исходного активирующего кальциевого сигнала. Фермент сохраняет активность до тех пор, пока серии-треониновые протеинфосфатазы не дефосфорилируют белок и не подавят его активность (рис.
15.44). Активация СаМ-киназы П, таким образом, является памятью о прошедшем всплеске Саз'. По-видимому, этот процесс играет роль в некоторых типах памяти и обучения в нервной системе позвоночных. У мутантных мышей, у которых отсутствует специфичная для мозга форма фермента, наблюдак>тся дефекты способности запоминать расположение предметов. Второе удивительное свойство СаМ-киназы П вытекает из первого: фермент способен использовать свой внутренний механизм запоминания для расшифровки частоты колебаний Сат'. Считают, что это свойство особенно важно для синапсов нервных клеток, где изменения внутриклеточного уровня Са~' в постсинаптической клетке в результате нервной активности могут привести к долговременным изменениям последующей эффективности синапса (см.
главу 11). Если СаМ-киназу П иммобилизовать на твердой подложке и подвергнуть с разной частотой действию протеинфосфатазы и регулярным всплескам Саз'/кальмодулина, имитирующим процессы в реальной клетке, зависимость активности фермента от частоты всплесков будет монотонно возрастающей (рис. 15. 45). Более того, частота ответа мультисубьединичного фермента зависит от его субъединичного состава, что позволяет клетке подгонять ответ на колебания Саз' под свои нужды, меняя строение синтезируемой СаМ-киназы П.
Связывание Сат'/кальмодулина с ферментом усиливается автофосфорилированием СаМ-киназы П (дополнительная форма положительной обратной связи). В результате ответ фермента на повторные пики Сат" имеет ярко выраженный пороговый характер (см. выше). (Из Р. 1. Напзоп, Т. Меуег, Е. Ягуег апб Н. Яс)1п1- тап, Хеигол 12: 943 — 95б, 1994. С любезного разрешения издательства Е!зет(ег.) ингибиторный домен Рис. 15.44. Ступенчатая активация СаМ-ниназы Н. Фермент представляет собой крупный белковый комплекс, состоящий из 12 субъединиц, иодля нагляднопи показана только одна (серая).
В отсутствие Са "/кап ьмодули на фермент неанти вен за счет взаимодействия между инги бито рным и катал итич вским доменами. Связывание Са'/кальмодулина изменяет конформацию белка и частично его активирует. Катал итические домены комплекса фосфорилируют инги биторные домены, а также другие белки клетки (не показано). Автофосфорилирование ферментного комплекса (за счет взаимного фосфорилирования его субъединиц) полностью аюивирует фермент, а также по двум механизмам продлевает его активность. Во-первых, зз счет автофосфорилировзния Са"/кальмодулин удерживается до тех пор, пока концентрация цитоплазматическога Сз" не вернется нз исходный уровень, по крайней мере на 10 секунд (не поназано).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
