Молекулярная биология. Структура и функция белков - Степанов В.М.
ISBN 5-06-002573-Х
Скачать (прямая ссылка):
Хорошо изучена роль фосфорилирования в регуляции фосфорилаэы
— фермента, катализирующего фосфоролиз запасного полисахарида — гликогена — с образованием глюкозо-1-фосфата, далее используемого в энергетическом обмене. Противоположную реакцию — включение остатка глюкозы из глюкозо-1-фосфата в гликоген — катализирует гликогенегттетаза. Совместное действие этих двух ферментов позволяет проводить цикл превращений, показанный ниже:
266
Фосфорилаза а
Гликоген
Глюкозо-1-фосфат
Гликогенсинтетаза
Такой цикл требует управления, попеременного включения фосфо-рилазной или синтетазной активности с выключением противоположно направленной. Если бы такого управления не было, цикл превратился бы в бессмысленный. И действительно, активность гликогенфосфори-лазы контролируется целым рядом факторов, один из которых — ' фосфорилирование и дефосфорилирование этого фермента. Нефосфо-рилированная фосфорилиза b практически неактивна, но превращается в активную форму — фосфорилаэу а — при фосфорилировании соответствующей протеинкиназой только одного остатка серина — Ser-14. Чем может быть объяснена активация фермента, субъединица которого состоит примерно из 400 аминокислотных остатков, в результате, казалось бы, небольшого изменения ковалентной структуры?
Подвергающийся фосфорилированию остаток серина расположен на границе контакта двух субъединиц фосфорилазы, т.е. в районе относительно слабых взаимодействий, который особенно легко поддается перестройке уже при малых изменениях ковалентной структуры. Присоединение фосфата к Ser-14 влечет за собой установление элект-' ростатического взаимодействия и появление сразу двух водородных связей между фосфоэфирной группой фосфосерина и гуанидогруппой остатка Arg-69, принадлежащего другой субъединице фермента и также локализованного на поверхности контакта:
Это изменяет систему нековалентных связей на поверхности контакта двух субъединиц, эффект передается в активный центр фермента. В результате пептидная петля, экранирующая активный центр в фосфо-рилазе Ь, отгибается и освобождает доступ субстрата к нему, активируя тем самым фермент.
Отщепление фосфата фосфопротеинфосфатаэой вновь переводит
СО
СН—СН2—0---Р=0
+ С—NH—СН2—СН2—СН2—СН
I
NH
0- ... h2n
NH
Фосфосерин-14 Аргинин-69 (другой субъединицы)
267
фосфосерин-14 в серии и восстанавливает свойственную неактивной фосфорилазе b систему нековалентных связей на границе между субъединицами, пептидная петля возвращается на прежнее место, блокируя каталитический центр.
Таким образом, столь значительные функциональные последствия фосфорилирования (и дефосфорилирования) обусловлены тем, что эти реакции происходят в относительно лабильной зоне белковой структуры — в области контакта субъединиц (как в рассмотренном случае) или доменов. Интересно, что регуляторное действие АМР на фосфор-илазу основано на. похожем принципе — аденозинмонофосфат образует прочный нек о валентный комплекс, с фосфорилазой Ь, связываясь на поверхности контакта субъединиц. Его фосфатная группа взаимодействует с двумя гуанидогруппами остатков аргинина и вызывает, как и в случае фосфорилирования Ser-14, цепь перестроек в структурно лабильной зоне фермента, опять-Таки открывая каталитический центр. Результатом является активация фосфорилазы b — фермента, практически не активного в отсутствие АМР. Разница в том, что фосфорилиро-вание активирует фермент, переводя его в фосфорилазу о, не зависимо от концентрации эффектора (в данном случае АМР) внутри клетки и, следовательно, в определенной мере не зависимо от биохимического статуса клетки.
Как уже отмечалось, перенос фосфата АТР на фермент катализируется протеинкиназой. Активность этого фермента, в свою очередь, контролируется и зависит от содержания в клетке так называемого "вторичного мессенджера" — сАМР. сАМР-зависимая протеинкиназа состоит из неодинаковых субъединиц: регуляторной Я-суб'ьединицы, способной связывать эффектор, т.е. сАМР, и каталитической С-субъединицы. Регуляторная субъединица выступает как ингибитор протеинки-назы, э комплексе с ней каталитическая субъединица лишена активности. При связывании регуляторной субъединицей сАМР, которое происходит за счет нековалёнтных взаимодействий, она утрачивает способность образовывать четвертичную структуру. В результате каталитическая субъединица высвобождается и оказывается способной фосфори-лировать белки.
Снижение концентрации свободного сАМР в клетке приводит к тому, что синтезируемая в избытке регуляторная субъединица вновь связывается с каталитической субъединицей, вызывая ингибирование фермента. Так реализуется динамическое равновесие:
RC + сАМР ~~А R.cAMP + С
Таким образом, концентрация сАМР управляет активностью проте-инкиназы, а через нее — активностью гликогенфосфорилазы, в конеч-268
ном счете -г мобилизацией энергии, запасенной клеткой в форме гликогена. В свою очередь, уровень с АМР определяется соотношением активностей аденилатциклазы — фермента, превращающего АТР в сАМР, й фосфодиэстеразы, гидролизующей сАМР до АМР. Активность аденилатциклазы зависит от ряда внешних факторов, среди которых особенно важен гормональный контроль. Итак, фосфорилирование фосфорилазы 6 и ее превращение в активный фермент — фосфорилазу а — есть результат целого каскада ферментативных реакций, управляемого весьма тонко. Как уже упоминалось, фосфорилирование — не единственный путь воздействия на активность фосфорилазы.
