Страйер Л. Биохимия. Том 3

Подождите немного. Документ загружается.

одинарные. Между внешними парами ми-

кротрубочек имеются поперечные мостики

из динеина - белка, обладающего АТРазной

активностью. Индуцированное динеином

скольжение прилегающих пар микротрубо-

чек относительно друг друга вызывает из-

гиб реснички или жгутика; этот механизм

лежит в основе биения ресничек и движения

жгутиков. Ингибитором подвижности,

опосредованной микротрубочками, служит

колхицин, который блокирует их полимери-

зацию.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ

ЛИТЕРАТУРА

С чего начать

Huxley H.Е., 1965. The mechanism of

muscular comtraction, Sci. Amer.,

213(6), 18-27.

Cohen C., 1975. The protein switch of

muscle contraction, Sci. Amer., 233(5),

36-45.

Murray J.M., Weber A., 1974. The

cooperative action of muscle proteins,

Sci. Amer., 230(2), 59-69.

Lazarides E., Revel J.P., 1979. The

molecular basis of cell movement, Sci.

Amer., 240(5), 100-113.

Satir P., 1974. How cilia move, Sci.

Amer., 231(4), 44-52.

Dustin P., 1980. Microtubules, Sci.

Amer., 243(2), 66-76.

Книги

Cold Spring Harbor Laboratory, 1972.

The Mechanism of Muscle Con-

traction, Cold Spring Harbor

Symposia on Quantitative Biology,

vol. 37. (Выдающийся сборник ста-

тей, посвященных структуре мы-

шечных белков, механизму возник-

новения силы сокращения, системам

регуляции, саркоплазматическому

ретикулуму, миогенезу, а также со-

кратительным белкам немышечных

тканей.)

Goldman R., Pollard Т., Rosenbaum J.

(eds.), 1976. Cell Motility, Cold Spring

Harbor Laboratory. (Содержит много

прекрасных статей, посвященных

микрофиламентам и микротрубоч-

кам и их роли в клеточной подвиж-

ности.)

Inoue S., Stephens R.E. (eds.), 1975.

Molecules and Cell Movement, Raven

Press.

Hatano S., Ishikawa H., Sato H. (eds.),

1979. Cell Motility: Molekulas and

Organization, University Park Press.

Sugi H., Pollack G.H. (eds.), 1979.

Cross-bridge Mechanism in Muscle

Contraction, University Park Press.

Мышечное сокращение

Huxley H.E., 1971. The structural

basis of muscle contraction, Proc. Roy.

Soc. London (B), 178, 131-149.

Haxley A.F., 1975. The origin of force

in skeletal muscle, Ciba Found. Symp.,

31, 271-290.

Harrington W.F., 1979. Contractile

proteins of muscle. In: Neurath H. and

Hill R. L. (eds.), The Proteins (3rd ed.),

vol. 4, pp. 245-409, Academic Press.

Adelstein R.S., Eisenberg E., 1980. Re-

gulation and kinetics of the

actin-myosin-ATP interaction, Ann.

Rev. Biochem., 49, 921-956.

Hill T.L, 1977. Free Energy

Transduction in Biology, Academic

Press. (В гл. 5 дано ясное описание

термодинамики мышечного сокра-

щения.)

Huxley H.E., Farugi A.R., Bordas J.,

Koch M.H.J., Milch J.R., 1980. The

use of synchrotron radiation in

time-resolved x-ray diffraction studies

of myosin layer-line reflections during

muscle contraction, Nature, 284,

140-143.

Adelstein R.S. (ed.), 1980. Symposium

on phosphorylation of muscle

contractile proteins, Fed. Proc., 39,

1544-1573. McCubbin W.D., Kay C.

M., 1980. Calciuminduced

conformational changes in the

troponin-tropomyosin complexes of

skeletal and cardiac muscle and their

roles in the regulation of

contraction-relaxation, Ace. Chem.

Res., 13, 185-192.

Роль актина и миозина в клеточной

подвижности

Коrn E.D., 1978. Biochemistry of

actomyosin-dependent cell motility (a

review), Proc. Nat. Acad. Sci., 75,

588-599.

Clarke M., Spudich J.A., 1977. Non-

muscle contractile proteins: the role of

action and myosin in cell motility and

shape determination, Ann. Rev.

Biochem., 46, 797-822.

Tilney L.G., 1979. Actin, motility, and

membranes. In: Cone R.A. and

Dowling J.E. (eds.), Membrane

Transduction Mechanisms,

pp. 163-186, Raven Press.

Lin S., Lin D.C., Flanagan M.D., 1978.

Specificity of the effects of cytochalasin

В on transport and motile processes,

Proc. Nat. Acad. Sci., 75, 329-333.

Brown S.S., Spudich J.A., 1979. Cyto-

chalasin inhibits the rate of elongation

of actin filament fragments, J. Cell

Biol., 83, 657-662.

Микротрубочки

Kirschner M.W., 1978. Microtubules:

assembly and nucleation, Int. Rev.

Cytol., 54, 1-71.

Margolis R.L, Wilson L., 1978.

Opposite end assembly and

disassembly of microtubules at

steadystate in vitro, Cell, 13,1-8.

Amos L.A., Baker T.S., 1979. The

three-dimensional structure of tubulin

protofilaments, Nature, 279, 607-612.

Summers K.E., Gibbons I.R., 1971.

ATP-induced sliding of tubules in

trypsin-treated flagella of seaurchin

sperm, Proc. Nat. Sci., 68, 3092-3096.

(Описаны остроумные опыты, пока-

завшие, что волнообразное движе-

ние обычного жгутика возникает как

результат индуцированного АТР

взаимодействия между прилегающи-

ми парными трубочками.)

Haimo L.Т., Telzer В.R., Rosenbaum

J.L., 1979. Dynein binds to and

crossbridges cytoplasmic microtubules,

Proc. Nat. Acad. Sci., 76, 5759-5763.

Sturgess J.M., Chao J., Wong J.,

Aspin N., Turner J.A.P., 1979. Cilia

with defective radial spokes: a cause of

human respiratory disease, New Engl.

J. Med., 300, 53-56.

Промежуточные нити

Lazarides E., 1980, Intermediate fi-

laments as mechanical integrators of

cellular space, Nature, 283, 249-256.

ГЛАВА 35

Действие гормонов

Гормоны - это химические посредники,

координирующие активность различных

клеток многоклеточного организма. Тер-

мин «гормон» был впервые использован

в 1904 г. Уильямом Бэйлиссом и Эрнстом

Старлингом (William Bayliss, Ernest

Starling) при описании действия секре-

тина - вещества, секретируемого двенадца-

типерстной кишкой и стимулирующего вы-

деление сока поджелудочной железы. Из

этой работы вытекала очень плодотворная

концепция, а именно, что 1) гормоны - это

молекулы, синтезируемые специфическими

тканями (железами); 2) гормоны секрети-

руются непосредственно в кровь, которая

и доставляет их к месту действия; 3) гор-

моны специфическим образом меняют ак-

тивность определенных чувствительных тка-

ней (органов-мишеней или клеток-мишеней).

По своей химической природе гормоны

очень разнообразны. Некоторые, например

адреналин и тироксин, представляют собой

небольшие молекулы, производные амино-

кислот. Другие, в частности окситоцин, ин-

сулин и тиреотропин (тиреотропный гор-

мон),- полипептиды или белки. Третья груп-

па гормонов - стероиды, производные холе-

стерола. В настоящее время выяснен моле-

кулярный механизм действия ряда гормо-

нов. Установлено, что гормоны оказывают

специфическое действие тремя путями:

1) воздействуя на скорость синтеза фер-

ментов и других белков; 2) изменяя ско-

рость ферментативного катализа; 3) изме-

няя проницаемость клеточных мембран.

Любопытно отметить, что ни один гормон

не является ферментом или коферментом.

Напротив, действие гормонов сводится

к регуляции уже существующих процессов.

282

Часть V.

Молекулярная физиология

35.1. Открытие циклического АМР -

посредника в действии многих гормонов

Важнейшее достижение в изучении меха-

низма действия гормонов связано с име-

нем Эрла Сазерленда (Earl Sutherland).

Первоначальная цель его работ, начатых

в 50-х годах, состояла в том, чтобы выяс-

нить механизм действия адреналина

и глюкагона на распад гликогена и образо-

вание глюкозы в печени. Сазерленд избрал

эту систему, во-первых, потому, что ука-

занные гормоны оказывают очень значи-

тельное и воспроизводимое действие на

распад гликогена. Во-вторых, этот эффект

развивается в течение нескольких минут. В-

третьих, срезы печени нетрудно получить

в большом количестве. В-четвертых, био-

химия распада гликогена уже была доста-

точно хорошо изучена (гл. 16). Фактически

Сазерленд начал свои исследования меха-

низма действия адреналина и глюкагона

в лаборатории Карла и Герти Кори (Carl

Cori, Gerty Cori).

На начальном этапе работы он стремил-

ся выявить ту ферментативную реакцию

в процессе превращения гликогена в глю-

козу, которую усиливали эти гормоны.

Для этого срезы печени инкубировали

в присутствии

и определяли, в какие

промежуточные соединения включалась

метка. Оказалось, что ферментом, лимити-

рующим скорость процесса расщепления

гликогена, была фосфорилаза, а не фосфо-

глюкомутаза или глюкозо-6-фосфатаза.

Более того, адреналин и глюкагон увели-

чивали активность фосфорилазы. Однако

механизм активации был неясен. Далее

Сазерленд обнаружил фермент, катализи-

ровавший инактивацию активной фосфори-

лазы. Этот инактивирующий фермент ока-

зался фосфатазой; напрашивалось предпо-

ложение, что активация фосфорилазы обус-

ловлена ее фосфорилированием. Действи-

тельно, при инкубации срезов печени с

обнаружилось, что скорость включения

Рис. 35.1. Электронная микрофотогра-

фия соматотропной клетки ги-

пофиза. Гормон роста (сомато-

тропин) накапливается в элек-

тронноплотных гранулах, чет-

ко видных на микрофотогра-

фии. (С любезного разрешения

Lynne Mercer.)

метки в фосфорилазу возрастала в присут-

ствии адреналина и глюкагона, причем это

возрастание было прямо пропорционально

действию гормонов на распад гликогена.

Таким образом, в результате этих исследо-

ваний и было установлено, что фосфорила-

за активируется при фосфорилировании

и инактивируется при дефосфорилировании.

Это был первый пример регуляции

активности фермента с помощью механиз-

ма ковалентной модификации.

Далее приступили к анализу активации

фосфорилазы гормонами в препарате раз-

рушенных клеток печени. Поразительным

образом добавление адреналина и глюка-

гона приводило, как и в опытах со срезами

35. Действие гормонов

283

Рис. 35.2. Примеры трех химически раз-

личных классов гормонов:

А - адреналин, производное

аминокислоты; Б - глюкагон,

полипептид; В - кортизол, сте-

роид.

печени, к активации фосфорилазы. Обнару-

жение того факта, что гормональный эф-

фект проявляется и в бесклеточном гомо-

генате, явилось новой вехой в развитии

биохимии. Дело в том, что ранее не удава-

лось наблюдать специфического действия

гормонов в бесклеточных системах, и мно-

гие биологи полагали, что гормоны спо-

собны воздействовать только на интакт-

ную клетку-мишень. Любопытно вспом-

нить, как за полвека до этого Бухнеры

(Buchner) опровергли совершенно анало-

гичные воззрения, доказав, что процесс

брожения может идти и в бесклеточном эк-

стракте дрожжей. Однако в отличие от

гликолитических ферментов не все компо-

ненты системы, обеспечивающей ответ на

адреналин и глюкагон, оказались раство-

римыми. Так, после центрифугирования го-

могената клеток печени ответная реакция

на добавление гормонов исчезала. Следо-

вательно, какая-то существенная часть сис-

темы гормонального ответа была локали-

зована во фракции мембран. Действитель-

но, гормональный ответ можно было

восстановить, добавив к надосадочной

жидкости фракцию субклеточных частиц.

Роль субклеточных частиц была выявле-

на следующим образом. При инкубации

этой фракции с адреналином и глюкаго-

ном образовывался некий термостабиль-

ный фактор. Добавление этого фактора

к надосадочной фракции приводило к ак-

284

Часть V.

Молекулярная физиология

тивации фосфорилазы. Другими словами,

гормональный ответ удалось разделить на

два этапа: взаимодействие гормона с мем-

бранной фракцией, приводящее к образова-

нию термостабильного фактора, и дей-

ствие этого фактора на надосадочную

фракцию, выражающееся в активации фос-

форилазы. Следующая задача состояла

в том, чтобы идентифицировать термоста-

бильный фактор, полученный в очень

малом количестве. По данным химическо-

го анализа это был аденинрибонуклеотид,

но с необычными свойствами. Сазерленд

описал его в письме Леону Хеппелю (Leon

Heppel), к которому обратился в надежде

на помощь в изучении структуры этого ве-

щества. В это же время Хеппель получил

письмо от Дэвида Липкина (David Lipkin)

с описанием нового нуклеотида, получен-

ного путем обработки АТР гидрооксидом

бария. Хеппель пришел к выводу, что Лип-

кин и Сазерленд изучают одно и то же ве-

щество, и помог им связаться друг с дру-

гом. Действительно, оба ученых исследова-

ли одно и то же соединение, оказавшееся

аденозин-3',5'-монофосфатом, или, как его

обычно называют теперь, циклическим

AMP (cAMP). Эта случайная встреча двух

ученых принесла еще одну пользу: сразу

возникла возможность получения больших

количеств сАМР для биохимических иссле-

Рис. 35.3. Ферментативный синтез и рас-

пад сАМР.

дований. Более того, в результате лабора-

торного синтеза сАМР из АТР и гидроок-

сида, бария появилась возможность выдви-

нуть предположение о вероятном пути

биосинтеза этого соединения.

35.2. Циклический AMP синтезируется

аденилатциклазой и расщепляется

фосфодиэстеразой

сАМР образуется из АТР под действием

мембранного фермента аденилатциклазы:

Эта реакция в небольшой степени эндерго-

нична; ее ΔG°' составляет около 1,6 ккал/

моль. Источником энергии для синтеза

сАМР служит последующий гидролиз пиро-

фосфата. Специфическая фосфодиэстераза

разрушает сАМР путем гидролиза до AMP:

Это высокоэкзергоническая реакция с ΔG°'

около —12 ккал/моль. В отсутствие фосфо-

диэстеразы сАМР - очень стабильное соеди-

нение.

35.3. сАМР служит вторым посредником

при действии многих гормонов

Работа Сазерленда привела к созданию кон-

цепции о роли сАМР как второго посредника

в механизме действия некоторых гормонов.

Первым посредником является сам гормон.

Сущность этой концепции заключается

в следующем.

1. Плазматические мембраны клеток со-

держат рецепторы гормонов.

2. Взаимодействие гормона с его специ-

фическим рецептором на плазматической

мембране ведет к стимуляции аденилатци-

клазы, также связанной с плазматической

мембраной.

3. В результате активации аденилатци-

клазы в клетке увеличивается содержание

сАМР.

4. Действие сАМР проявляется внутри

клетки и состоит в изменении скорости

одного или более процессов.

Важная особенность этой гипотезы вто-

рого посредника состоит в том, что она не

предполагает проникновения гормона в клет-

ку. Действие самого гормона ограничивает-

ся клеточной мембраной. Биологический

эффект гормона опосредован действием

сАМР внутри клетки; непосредственного

действия сам гормон не оказывает. Обосно-

ванность этой концепции была проверена

с использованием целого ряда эксперимен-

тальных критериев, а именно:

1. Аденилатциклазу клетки должны сти-

мулировать те гормоны, которые дей-

ствуют на эту клетку как на мишень. Гор-

моны, не вызывающие специфического био-

логического ответа данной клетки, не

должны повышать в ней активности этого

фермента.

2. Концентрация сАМР в клетках-мише-

нях должна изменяться пропорционально

биологическому ответу этих клеток на гор-

мональную стимуляцию, т.е. она должна

проявлять временную и количественную за-

висимость от концентрации гормона.

3. Ингибиторы фосфодиэстеразы, напри-

мер теофиллин или кофеин, должны дей-

ствовать синергично с теми гормонами, эф-

35. Действие гормонов

285

фект которых опосредован сАМР как

вторым посредником.

4. Добавление сАМР или родственного

ему соединения к клеткам-мишеням должно

имитировать биологическое действие гор-

мона. (На практике сАМР в таких опытах не

используется, так как он плохо проникает

в клетки; однако менее полярные про-

изводные сАМР, в частности дибутирил-

сАМР, проникают в клетки и оказывают

свое действие.)

Проведенные опыты показали, что цикли-

ческий AMP является вторым посредником

при действии не только адреналина и глюка-

гона, но и многих других гормонов

(табл. 35.1). сАМР оказывает влияние на ис-

ключительно большое число клеточных

процессов. Так, под действием этого соеди-

нения увеличивается распад накопленных

запасов топливных веществ, повышается

выделение соляной кислоты слизистой же-

лудка, происходит дисперсия пигментных

гранул меланина, уменьшается агрегация

тромбоцитов.

Рис. 35.4. Разделение аденилатциклазы

и β-адренергического рецепто-

ра центрифугированием солю-

билизированной (в растворе

детергента) плазматической

мембраны в градиенте плотно-

сти сахарозы. [Haga Т., Haga

К., Gilman A.G., J. Biol. Chem.,

252, 5776 (1977).]

286

Часть V.

Молекулярная физиология

Таблица 35.1. Гормоны, действие которых опосредовано

сАМР

Кальцитонин

Хорионический гонадо-

тропин

Кортикотропин

Адреналин

Фолликулостимулирую-

щий гормон

Глюкагон

Лютеинизирующий гор-

мон

Липотропин

Меланоцитстимулирую-

щий гормон

Норадреналии

Паратгормон

Тиреотропный гормон

Вазопрессин

35.4. Сопряжение рецепторов гормонов

с аденилатциклазой осуществляется

белком, связывающим гуаниннуклеотиды

Каким образом связывание гормона типа

адреналина или глюкагона со специфиче-

ским рецептором приводит к активации мо-

лекулы аденилатциклазы? Участки связыва-

ния этих гормонов локализованы на наруж-

ной поверхности плазматической мем-

браны, тогда как каталитические участки

аденилатциклазы обращены к цитозолю.

В сущности, участки связывания гормона

и каталитические участки принадлежат

разным белкам, которые можно разделить

при центрифугировании плазматической

мембраны в растворе детергента (рис. 35.4).

Аденилатциклаза (185 кДа) и рецептор адре-

налина (75 кДа) представляют собой боль-

шие интегральные белки мембраны. Рецеп-

тор адреналина называют также β-адренер-

гическим рецептором, поскольку он связы-

вает целый ряд фармакологически активных

соединений.

Связывание гормона со специфическим

рецептором оказывает активирующее дей-

ствие на аденилатциклазу не прямо, а опос-

редованно - через третий белок, называе-

мый G-белком

(от англ. guanyl, посколь-

ку этот белок связывает гуаниннуклеотиды).

Этот регуляторный белок (42 кДа) суще-

ствует в двух формах. Комплекс G-белка

с GTP активирует аденилатциклазу, тогда

как комплекс G-белка с GDP такого дей-

ствия не оказывает. G-белок превращается

из неактивной GDP-формы в активную

GTP-форму в результате обмена связанного

GDP на GTP. Этот GTP—GDP-обмен ка-

тализируется гормон-рецепторным ком-

плексом, но не свободным рецептором. Та-

В отечественной литературе чаще использует-

ся

обозначение

N-белок.-

Прим.

перев.

ким образом, путь передачи информации

идет от рецептора гормона на G-белок и да-

лее на аденилатциклазу (рис. 35.5).

Как происходит выключение аденилатци-

клазы? G-белок обладает еще одним свой-

ством, благодаря которому он может пере-

давать информацию от рецепторов гормона

на аденилатциклазу. Дело в том, что свя-

занный с G-белком GTP медленно гидроли-

зуется до ADP. Другими словами, G-белок

является GТРазой. Следовательно, этот ре-

гуляторный белок содержит встроенное

в него устройство для инактивации аденил-

атциклазы. Доля G-белка, находящегося

в комплексе с GTP, а соответственно и сте-

пень активации аденилатциклазы зависят от

отношения скорости обмена GDP на GTP

к скорости гидролиза GTP. Скорость GTP-

GDP-обмена значительно возрастает при

связывании G-белка с комплексом гор-

мон—рецептор. Следовательно, при низком

содержании гормона почти весь G-белок на-

ходится в GDP-форме и соответственно по-

чти вся аденилатциклаза неактивна. В неко-

торых клетках активация аденилатциклазы

зависит также от концентрации Са

. Для

активации аденилатциклазы в этих клетках

необходим не только G-белок в GTP-форме,

но и комплекс Са

с кальмодулином (белок

массой 17 кДа). Таким образом, в настоящее

время начал проясняться вопрос о том, ка-

кие регуляторные циклы определяют актив-

ность аденилатциклазы.

35.5. Циклический AMP активирует

протеинкиназы

Каким образом сАМР воздействует на

столь большое число различных клеточных

процессов? Есть ли в этих воздействиях что-

либо общее? Действительно, такая общ-

ность имеется, и обнаружена она была

опять-таки при изучении регуляции обмена

гликогена - участка метаболизма, где «ро-

дился» сАМР. Эдвин Кребс и Донал Уолш

(Edwin Krebs, Donal Walsh) установили, что

сAMP активирует протеинкиназу в ске-

летных мышцах. Протеинкиназа фосфори-

лирует как гликоген-синтазу (переводя ее

в неактивное состояние), так и киназу фос-

форилазы (переводя ее в активное состоя-

ние). Таким путем сАМР стимулирует рас-

пад гликогена и ингибирует его синтез

в мышцах (разд. 16.15). Аналогичный меха-

низм действует в печени. По существу, все

известные эффекты сАМР обусловлены ак-

тивацией протеинкиназ. Все исследованные

Рис. 35.5. Путь передачи информации

при активации аденилатци-

клазы, вызванной связыванием

гормона со специфическим ре-

цептором. G-белок играет ре-

шающую роль как в активации,

так и в инактивации аденилат-

циклазы.

до сих пор клетки содержат протеинкиназы,

которые активируются под действием

сАМР в концентрации порядка 10

-8

М. Эти

киназы модулируют активность различных

белков путем их фосфорилирования.

Интересен механизм активации протеин-

киназы мышц циклическим AMP. Этот фер-

мент состоит из субъединиц двух типов: ре-

гуляторной (R) субъединицы (49 кДа),

связывающей сАМР, и каталитической (С)

субъединицы (38 кДа). В отсутствие сАМР

регуляторная и каталитическая субъеди-

ницы образуют комплекс R

, лишенный

ферментативной активности. Присоедине-

ние сАМР к каждой из регуляторных субъе-

диниц приводит к диссоциации комплекса

на одну R

-субъединицу и две С-субъе-

диницы. Свободные каталитические субъе-

диницы обладают ферментативной актив-

ностью. Следовательно, присоединение

сAMP к регуляторной субъединице снимает

ингибирование каталитической субъединицы.

сАМР при этом функционирует как алло-

стерический эффектор. Своей субъединич-

ной структурой (наличием отдельных регу-

ляторных и каталитических субъединиц)

протеинкиназа напоминает аспартат-транс-

карбамоилазу (разд. 22.14).

35. Действие гормонов

287

Рис. 35.6. сАМР активирует протеин-

киназу, вызывая диссоциацию

комплекса регуляторных и ка-

талитических субъединиц фер-

мента.

35.6. Циклический AMP - эволюционно

древний сигнал голодания

Как было описано выше (разд. 28.6), сАМР

оказывает регуляторное действие на клетки

бактерий, у которых он стимулирует тран-

скрипцию определенных генов. Очевидно,

что сАМР как вещество-регулятор имеет

длинную эволюционную историю. У бакте-

рий сАМР служит сигналом голодания. По-

явление сАМР свидетельствует об отстут-

ствии глюкозы и ведет к синтезу ферментов,

необходимых для использования других ис-

точников энергии. В некоторых клетках мле-

копитающих, таких, как клетки печени

и мышц, сАМР сохраняет свою древнюю

функцию сигнала голодания, но при этом

действие сАМР направлено на стимуляцию

протеинкиназы, а не на усиление транскрип-

ции определенных генов. Еще одно важное

различие состоит в том, что у высших орга-

низмов сАМР стал вторым посредником,

участвуя во внутриклеточных, а не внекле-

точных коммуникативных связях.

Почему в ходе эволюции сАМР превра-

288

Часть V.

Молекулярная физиология

тился во второго посредника? Представ-

ляется, что здесь сыграли роль три фактора.

1. сАМР образуется из повсеместно при-

сутствующего АТР в ходе несложной

реакции, протекающей за счет энергии по-

следующего гидролиза пирофосфата.

2. Будучи производным вещества, зани-

мающего центральное положение в метабо-

лических превращениях, сам сАМР стоит

в стороне от основных путей метаболизма.

сАМР используется только как интегратор

обмена веществ и не является ни предше-

ственником в процессах биосинтеза, ни про-

межуточным продуктом в энергетическом

обмене. Вследствие этого концентрация

сАМР может регулироваться однозначно.

Более того, сАМР стабилен, если не подвер-

гается действию специфической фосфоди-

эстеразы.

3. сАМР обладает достаточным количе-

ством функциональных групп, которые

обеспечивают прочное и специфическое

связывание с рецепторными белками (на-

пример, с регуляторной субъединицей про-

теинкиназы мышц) и развитие соответ-

ствующих аллостерических эффектов.

Важно отметить, что использование сАМР

как второго посредника приводит к значи-

тельному усилению гормонального сигнала.

Так, многие гормоны в крови присутствуют

в концентрациях порядка 10

-10

М. В стиму-

лированных клетках-мишенях концентра-

ция сАМР намного выше, так как каждая ак-

тивированная молекула аденилатциклазы

синтезирует много молекул сАМР. Фосфо-

рилирование множества молекул белка мо-

лекулой протеинкиназы, активированной

сАМР, представляет собой еще один этап

усиления гормонального сигнала. Каскад

Рис. 35.7. Пространственная модель

сАМР.

ферментативных реакций, регулирующих

обмен гликогена, служит примером того,

как малые стимулы могут вызвать значи-

тельные изменения метаболизма клетки.

35.7. Холерный токсин стимулирует

аденилаткиназу, ингибируя GTP-азную

активность G-белка

Непосредственное участие сАМР в патоло-

гических процессах было четко установлено

при холере. Возбудителем этого потен-

циально смертельного заболевания являет-

ся Vibrio cholerae - грам-отрицательная бак-

терия с одним жгутиком, с помощью

которого она движется. Основное клиниче-

ское проявление холеры - сильнейший понос

(диарея). В течение нескольких часов орга-

низм может потерять несколько литров

жидкости, и если потерю жидкости не воз-

местить, то развивается шок и наступает

смерть. Диарея обусловлена не прямым дей-

ствием бактерии, а бактериальным токси-

ном. Холерный токсин (называемый также

холерагеном) повышает активность адени-

латциклазы в слизистой тонких кишок, ко-

торая в свою очередь повышает содержание

сАМР в клетках, причем до исключительно

высокого уровня. Последнее стимулирует ак-

тивный транспорт ионов в кишечном эпите-

лии, вследствие чего резко возрастает выход

и воды в полость кишечника.

Холерный токсин - белок массой 87 кДа;

он состоит из A

и А

-пептидов, соеди-

ненных дисульфидным мостиком, и пяти В-

пептидов. Токсин проникает в клетку путем

взаимодействия с ганглиозидом G

(разд.

20.7) на ее поверхности. Этот богатый угле-

водами сфинголипид узнают В-цепи ток-

сина. Попав в клетку, А

-субъединица (23

кДа) ковалентно модифицирует G-белок, ре-

гулирующий активность аденилатциклазы.

В частности, А

-субъединица токсина ката-

лизирует перенос ADP-рибозы от NAD на

боковую цепь аргинина G-белка (рис. 35.8).

Это ADP-рибозилирование блокирует

GTP-азную активность G-белка. Другими

словами, модифицированный G-белок ли-

шается встроенного в него устройства для

инактивации аденилатциклазы (см.

рис. 35.5). По существу, G-белок оказывает-

ся стабилизированным в GTP-форме, а аде-

нилатциклаза - в непрерывно активирован-

ном состоянии, несмотря на отсутствие

гормона. Аналогичный эффект можно полу-

чить in vitro путем добавления к немодифи-

цированному G-белку гуанилилимидоди-

фосфата - негидролизуемого аналога GTP.

Рис. 35.8. Холерный токсин катализи-

рует ADP-рибозилирование

G-белка - регулятора активно-

сти аденилатциклазы.

Этот аналог, подобно GTP, активирует G-

белок, но не способен превращаться в GDP.

Связывание гуанилилимидодифосфата с не-

модифицированным G-белком так же акти-

вирует аденилатциклазу, как связывание

GTP G-белком, утратившим GТРазную ак-

тивность. Действие холерного токсина еще

раз доказывает значение GТРазной актив-

ности G-белка. Вспомним, что вредоносное

действие дифтерийного токсина также обус-

ловлено ADP-рибозилированием белка

с GТРазной активностью (разд. 29.28).

35. Действие гормонов

289

35.8. Инсулин стимулирует анаболические

процессы и ингибирует катаболические

процессы

Обратимся теперь к инсулину - полипептид-

ному гормону, играющему ключевую роль

в интеграции процессов использования то-

пливных веществ, что уже обсуждалось вы-

ше (разд. 23.6). Общая характеристика функ-

ции инсулина состоит в том, что в мышцах

печени и жировой ткани он усиливает анабо-

лические и ингибирует катаболические про-

цессы. В частности, инсулин повышает ско-

рость синтеза гликогена, жирных кислот,

белков, а также стимулирует гликолиз. Важ-

ное значение имеет такой аспект действия

гормона, как стимуляция проникновения

глюкозы, ряда других сахаров, а также ами-

нокислот в клетки мышц и жировой ткани.

Способствуя входу глюкозы в указанные

клетки, гормон снижает ее содержание

в крови (так называемый гипогликемический

эффект). Инсулин ингибирует такие катабо-

лические процессы, как распад гликогена

и нейтрального жира. Он тормозит также

гликонеогенез путем снижения уровня фер-

ментативной активности пируват-карбокси-

лазы и фруктозо-1,6-бисфосфатазы. Дей-

ствие инсулина во многом противоположно

действию адреналина и глюкагона. По су-

ществу, адреналин и глюкагон служат сигна-

лами недостаточности глюкозы, тогда как

инсулин - сигнал избытка глюкозы.

35.9. Препроинсулин и проинсулин -

предшественники активного гормона

Как показал Фредерик Сангер (Frederik

Sanger), бычий инсулин состоит из двух це-

пей: А-цепи из 21 аминокислотного остатка

Рис. 35.9. Полипептидные цепи и дисуль-

фидные мостики в инсулине.

290

Часть V.

Молекулярная физиология

Рис. 35.10. Изучение белка с высокой ра-

диоактивностью, выявляемой

после импульсного введения

метки в аденому островковой

ткани поджелудочной железы,

привело к открытию проинсу-

лина (непрерывной линией по-

казана радиоактивность, пре-

рывистой - оптическая плот-

ность при 280 нм).

и В-цепи из 30 остатков; цепи инсулина ко-

валентно связаны между собой двумя ди-

сульфидными мостиками (рис. 35.9). Анало-

гичное строение имеют инсулины других

видов животных, в том числе человека. Как

синтезируется этот двухцепочечный белок?

A priori можно предположить, что А- и В-це-

пи синтезируются по отдельности, затем

они специфически связываются в результате

нековалентных взаимодействий и далее

между ними формируются правильно рас-

положенные дисульфидные мостики. Такое

предположение было проверено экспери-

ментально; для этого определяли, можно ли

из восстановленных А- и В-цепей получить

in vitro активный гормон с правильным рас-

положением дисульфидных мостиков. Сти-

мулом для этого исследования послужили

данные Анфинсена (Anfinsen), посвященные

рибонуклеазе - одноцепочечному белку, спо-

собному к полной ренатурации после хими-

ческого восстановления и развертывания

структуры (разд. 2.12). Однако в случае ин-

сулина был получен совершенно иной ре-

зультат: менее 4% образованных in vitro мо-

лекул содержали правильные дисульфидные

пары. Такой же низкий выход ренатуриро-

ванного белка имел место и в случае с химо-

трипсином - трехцепочечным ферментом,

имеющем две межцепочечные дисуль-

фидные связи (разд. 8.2). С другой стороны,

химотринсиноген - одноцепочечный пред-