Регуляция активности белковых посредников путем пространственного разобщения и взаимодействия с мембранами

     Выяснены  механизмы действия ряда других антибиотиков, применяемых при лечении тифозных инфекций. Так, хлорамфеникол оказывает  ингибирующее влияние на пептидилтрансферазную  реакцию (на стадии элонгации) синтеза  белка в 70S рибосоме бактерий. На этот процесс в 80S рибосоме он не действует. Противоположное тормозящее действие на синтез белка в 80S (без поражения процесса в 70S рибосоме) оказывает циклогексимид, являющийся ингибитором транслоказы.

     Весьма  интересен молекулярный механизм действия дифтерийного токсина. Он оказался наделен способностью катализировать реакцию АДФ-рибозилирования фактора элонгации (трансляционный фактор-2, TF-2). выключая тем самым его из участия в синтезе белка. Резистентность многих животных к дифтерийному токсину обусловлена трудностью проникновения токсина через мембрану клеток.

     Противотуберкулезные  и антибактериальные антибиотики, в частности стрептомицин и неомицин, действуют на белоксинтезирующий аппарат чувствительных к ним штаммов бактерий. Высказано предположение, что эти антибиотики вызывают ошибки в трансляции мРНК, приводящие к нарушению соответствия между кодонами и включаемыми аминокислотами; например, кодон УУУ вместо фенилаланина начинает кодировать лейцин — в результате образуется аномальный белок, что приводит к гибели бактерий.

     Широко  применяемые в клинике тетрациклины также оказались ингибиторами синтеза  белка в 70S рибосоме (меньше тормозится синтез в 80S рибосоме). Они легко проникают  через клеточную мембрану. Считается, что тетрациклины тормозят связывание аминоацил-тРНК с аминоацильным центром в 50S субчастице рибосомы. Возможно, что тетрациклины химически связываются с этим центром, выключая тем самым одну из ведущих стадий процесса трансляции.

     Пенициллины не являются истинными ингибиторами синтеза белка, однако их антибактериальный эффект связан с торможением синтеза гексапептидов, входящих в состав клеточной стенки. Механизм их синтеза отличается от рибосомального механизма синтеза белка. Эритромицин и олеандомицин тормозят активность транслоказы в процессе трансляции, подобно циклогексимиду, исключительно в 80S рибосомах, т. е. тормозят синтез белка в клетках животных.

     Полученные  к настоящему времени данные по механизму  действия антибиотиков на синтез белка  с учетом стадии и топографии процесса трансляции суммированы в табл. 13.2 (по Харперу).

     Следует еще раз подчеркнуть, что нарушение  или выпадение любого звена, участвующего в синтезе белка, почти всегда приводит к развитию патологии, причем клинические проявления болезни будут определяться природой и функцией белка, синтез которого оказывается нарушенным (структурный или функциональный белок). Иногда синтезируются так называемые аномальные белки как результат действия мутагенных факторов и, соответственно, изменения генетического кода (например, гемоглобин при серповидно-клеточной анемии). Последствия этих нарушений могут выражаться в развитии самых разнообразных синдромов или заканчиваться летально. Следует отметить, что организм располагает мощными механизмами защиты: подобные изменения генетического аппарата быстро распознаются специфическими ферментами — рестриктазами, измененные последовательности вырезаются и вновь замещаются соответствующими нуклеотидами при участии полимераз и лигаз.  
 

8. Регуляция активности белковых посредников путем их ковалентной модификации

     Отличие этого механизма регуляции от посттрансляционной модификации состоит в обратимости процесса и отсутствии изменения длины полипептидной цепи. Кроме того, и это особенно важно отметить, обе формы – модифицированная и немодифицированная – активны, хотя и различаются по величине активности или по регуляторным свойствам.

     У эукариот самым распространенным способом модификации является фосфорилироеание. Один из наиболее изученных примеров – процесс синтеза и распада гликогена.

     Фосфорилирование ферментов, участвующих в синтезе и распаде гликогена, осуществляется киназами, которые сами активируются сАМР. Как уже отмечалось, концентрация сАМР в клетке обратно пропорциональна концентрации АТР. Следовательно, потребность в энергии приводит к фосфори-лированию указанных ферментов, т.е. к стимуляции гидролиза гликогена и торможению его синтеза. Дополнительная стимуляция гидролиза достигается за счет активирующего эффекта AMP, который накапливается при снижении энергетического заряда клетки. Напротив, при накоплении глюкозо-6-фосфата, что свидетельствует об активном протекании энергетических процессов, гидролиз гликогена тормозится.

     Однако наиболее изученным примером регуляции путем ковалентной модификации является аденилирование и уридилирование ферментов в системе регуляции активности глутаминсинтетазы.

     Указанная регуляция активности ГС дополняется регуляцией на уровне биосинтеза фермента: немодифицированный белок РП через посредство других специальных белков подавляет транскрипцию локусов ГС. В свою очередь, эти белковые регуляторы могут фосфорилироваться с участием специфических протеинкиназ и изменять свою регуляторную активность.

     Все эти события – яркий пример каскадной регуляции – наиболее эффективного механизма регуляции сложных метаболических путей, каким и является, в частности, азотный метаболизм. 
 
 
 

9. Регуляция активности белковых посредников путем нековаленткого взаимодействия с эффекторами

     1. Взаимодействие с субстратами. Ферменты, активность которых регулируется субстратом, должны иметь несколько активных центров, сходных по природе и взаимодействующих между собой. Здесь возможны два случая:

     а) присоединение первой молекулы субстрата облегчает присоединение последующих молекул, и скорость реакции растет по экспоненциальному закону. График зависимости начальной скорости реакции от концентрации субстрата имеет S-образную форму;

     б) присоединение первой молекулы субстрата затрудняет присоединение последующих молекул.

     Аналогичные механизмы регуляции действуют при трансмембранном транспорте некоторых субстратов.

     2. Взаимодействие с продуктами и другими эффекторами, отличными от субстратов. Ферменты, активность которых регулируется по этому механизму, должны иметь различающиеся по природе активные центры: каталитический и регуляторный. Эти центры обычно размещены на разных субъединицах фермента, причем связывание эффектора с регуляторным центром влияет на конформацию каталитического центра и изменяет сродство к субстрату, которое, как правило, снижается. При этом возможны разные обстоятельства:

     а) в анаболических процессах конечный продукт метаболического пути, накапливаясь выше определенного уровня, подавляет свой биосинтез, ингибируя активность первого фермента данного пути;

     б) в катаболических путях метаболизма отрицательными эффекторами часто служат соединения, являющиеся аккумуляторами энергии, а другие компоненты аденилатной системы могут выступать в качестве положительных эффекторов. Таким образом, активность данных ферментов зависит от «энергетического заряда» клетки;

     в) амфиболические ферменты могут регулироваться с помощью обоих механизмов;

     г) в разветвленных биосинтетических путях подавление одним из конечных продуктов активности фермента, катализирующего начальные этапы процесса, приводило бы к дефициту других продуктов данного пути. Поэтому необходима особая организация регуляторных процессов. Существуют две основные возможности.

     Во-первых, образование изоферментов, катализирующих начальную стадию пути, активность каждого из которых избирательно подавляется только одним из конечных продуктов. Примером может служить биосинтез ароматических аминокислот у Escherichia coli, в котором конечные продукты – тирозин, триптофан и фенилаланин – подавляют каждый активность одной из альдолаз, катализирующих первую реакцию пути. Во-вторых, использование ферментов, имеющих несколько взаимодействующих регуляторных центров, каждый из которых специфичен только для одного из эффекторов. По отдельности они не оказывают существенного влияния на активность фермента, а при их совместном действии активность подавляется. Это так называемое согласованное, или мультивалентное ингибирование. Например, активность аспартаткиназы у Escherichia coli подавляется только сочетанием лизина, метионина и лейцина. Для глутаминсинтетазы обнаружено восемь кумулятивных эффекторов: аланин, глицин, гистидин, триптофан, ЦТР, AMP, карбамоилфосфат, глюкозамин-6-фосфат. 

10. Регуляция активности белковых посредников путем пространственного разобщения и взаимодействия с мембранами

     Механизмы первого типа более распространены у эукариот в связи с локализацией ферментов в субклеточных органеллах: митохондриях, лизосомах и т.д. Однако и в клетках прокариот возможны определенные виды компартментации:

     а) часть ферментного аппарата прокариот локализована в периплазматическом пространстве. Таким образом, создается возможность регуляции активности ферментов путем управления скоростью проникновения в «отсек» субстратов или выхода из него продуктов;

     б) ферменты, катализирующие серию последовательных реакций, могут формировать «ансамбль», локализованный либо в цитоплазме, либо в цитоплазматической мембране. Продукты, образуемые на предыдущей стадии, «подхватываются» последующим ферментом без освобождения в среду.

     Для регуляторного действия конечного продукта доступен только последний фермент, но он может передавать эффект на предыдущие ферменты за счет кооперативных взаимодействий. Существует представление о «метаболоне», т.е. комплексе ферментов, закрепленных на «подложке». Каталитические свойства в этом случае проявляются внутри ансамбля, а подложка реагирует на регуляторное действие эффекторов. Например, ни один из ферментов может не реагировать на данный эффектор, но в ансамбле, за счет конформационных изменений подложки, они становятся к нему чувствительными.

     Важную роль в регуляции активности ферментов может играть их взаимодействие с мембранами. В мембранно-связанном состоянии физико-химические свойства ферментов изменяются. Это явление называется аллотопия. Гидрофобные взаимодействия мембранных липидов и белков могут переводить последние в неактивное состояние, а электростатические взаимодействия, напротив, вызывать активацию белков. В свою очередь, сила электростатического взаимодействия липидов и белков зависит от внутриклеточной концентрации электролитов, а следовательно, от состава среды, окружающей клетку, и от физиологического статуса последней. Таким образом, для регуляции ферментов по этому механизму существуют широкие возможности, хотя конкретные механизмы в силу труднопреодолимых методических препятствий пока изучены мало.

     ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

     Биосинтез белка, хотя непосредственно и регулируется рибонуклеиновыми кислотами, опосредованно  связан с контролирующим влиянием ДНК  ядра и что РНК сначала синтезируется  в ядре, затем поступает в цитоплазму, где выполняет роль матрицы в синтезе белка. Полученные значительно позже экспериментальные данные подтвердили гипотезу о том, что основной функцией нуклеиновых кислот является не только хранение генетической информации, но и реализация этой информации путем программированного синтеза специфических белков.

     Одним из путей выяснения механизмов синтеза  нуклеиновых кислот и белков в  клетках является использование  таких лекарственных препаратов, которые могли бы избирательно тормозить  эти процессы у бактерий, не оказывая влияния на организм человека. Некоторые препараты действительно обладают таким действием, однако многие из них оказываются токсичными и для человека. В настоящее время в медицинской практике применяются многие антибиотики, часть из которых будет рассмотрена ниже с целью выяснения механизма их действия на ключевые химические реакции синтеза белка и нуклеиновых кислот.

     Наиболее изученным примером регуляции путем ковалентной модификации является аденилирование и уридилирование ферментов в системе регуляции активности глутаминсинтетазы.

     Важную роль в регуляции активности ферментов может играть их взаимодействие с мембранами. В мембранно-связанном состоянии физико-химические свойства ферментов изменяются. Это явление называется аллотопия. Гидрофобные взаимодействия мембранных липидов и белков могут переводить последние в неактивное состояние, а электростатические взаимодействия, напротив, вызывать активацию белков. В свою очередь, сила электростатического взаимодействия липидов и белков зависит от внутриклеточной концентрации электролитов, а следовательно, от состава среды, окружающей клетку, и от физиологического статуса последней. Таким образом, для регуляции ферментов по этому механизму существуют широкие возможности, хотя конкретные механизмы в силу труднопреодолимых методических препятствий пока изучены мало.