WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 |

Рассмотрим далее некоторые данные, свидетельствующие о вовлеченности вторичных структур белка в механизм передачи сигналов. Ким и др. (Kim et al., 2002) исследовали динамику цитоплазматических доменов рецептора хемотаксиса E. coli при взаимодействии с репеллентом и аттрактантом. Авторы пришли к выводу, что аттрактант снижает количество вторичных структур в домене, что блокирует передачу сигнала в цитоплазму. Репеллент оказывает противоположное действие: увеличивает количество вторичных структур в домене, что делает возможной сигнальную функцию рецептора. В терминах гипотезы нативной агрегации, репеллент переводит домен в возбужденное состояние, когда у него появляются «валентности» для взаимодействий, необходимых для передачи сигнала. Авторы также полагают, что метилирование/деметилирование рецепторов потому столь важны для их кластеризации и диссоциации образовавшихся кластеров, что вызывает значительные изменения в количестве вторичных структур в доменах.

Уильямс и др. (Williams et al., 2004) отмечают, что упорядоченность полипептидной цепи тесно связана с функциями белков. Так, например, связывание лигандов со стрептавидином, пурин-нуклеозидфосфорилазой (purine nucleoside phosphorylase), гипоксантингуанинфосфорибозилтрансферазой (hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase), гемоглобином и миоглобином приводит к некоторому разупорядочиванию белковых молекул. Авторы провели термодинамический анализ влияния на рецепторы соответствующих агонистов и антагонистов и пришли к заключению, что механизм действия этих лигандов связан с противоположными эффектами на упорядоченность структуры рецепторов: более плотная упаковка полипептидной цепи внутри белка приводит к усилению степени олигомеризации рецепторов, менее плотная упаковка — снижает степень олигомеризации. Интересно, что агонисты вызывают противоположные структурные изменения в разных рецепторах: агонист одного рецептора улучшает укладку полипептидной цепи, агонист другого рецептора ухудшает ее (это справедливо и для антагонистов). Физиологический смысл этих изменений будет понятен только тогда, когда станет ясно, частью какого механизма эти изменения является. Рецепторы — это еще одна система, для которой существование двух состояний — покоя и активированного — представляется очевидным. В этом смысле клетку можно рассматривать как мегарецептор: переключение из одного состояния в другое порождает сложный сигнал соседним клеткам.

Согласно современным представлениям, шапероны играют важную роль в жизни клетки.

Интересен пример малых белков теплового шока, разнообразный класс шаперонов, широко распространенный в клетках различных типов. Часть представителей этого семейства неактивны в клетке в состоянии покоя и активируются, например, при увеличении температуры (Haslbeck et al., 2005). Согласно логике нативной агрегации, триггерное действие температуры должно приводить не только к появлению ненативных форм белка, но и активировать сами белки теплового шока. Для этого им необходимо либо иметь нативноразвернутые участки полипептидной цепи, либо они должны обладать способностью переходить в состояние расплавленной глобулы. Это приведет к формированию центров нативной агрегации, а затем и к самой агрегации. Начнется нативная агрегация активированного шаперона с активированной мишенью.

В литературе признается, что наличие в молекулах шаперонов нативно-развернутых участков необходимо для их работы (Weikl et al., 1999; Richardson et al., 2001; Tompa and Csermely, 2004). С точки зрения нативной агрегации, эти развернутые участки нужны для формирования вторичных структур, необходимых для нативной агрегации с мишенью. Но и сама мишень должна представлять собой возбужденный белок, которым может стать либо нативно-развернутый белок (или нативно-развернутый участок белка), либо глобула, ставшая расплавленной глобулой. Это предположение подтверждается результатом исследований Хедьи и Томпы (Hegyi and Tompa, 2008), показавших, что нативноразвернутые белки не обнаруживают тенденции к взаимодействию с шаперонами. Этот результат понятен. Нативно-развернутые белки — это нативные белки, белки в состоянии покоя. Для того чтобы они стали взаимодействовать с другими белками, в том числе с шаперонами, их нужно активировать — перевести в возбужденное, денатурированное, состояние. С другой стороны, способность шаперонов взаимодействовать с расплавленными глобулами, известна давно (Rawat and Rao, 1998).

С точки зрения предлагаемого подхода, результатом нативной агрегации являются новые структуры, необходимые возбужденной клетке. Формирование таких структур — процесс кооперативный, т.е. требующий участия двух и более белков. Без такой кооперации новую структуру не создать. При таком понимании нативной агрегации становится очевидным, что каждый из двух и более белков, вступая во взаимодействие друг с другом, помогает белкупартнеру правильно сворачиваться. Иначе говоря, все белки, участвующие в нативной агрегации, являются друг для друга шаперонами, но часть из них могла пройти более глубокую специализацию в этом направлении.

Хорошо известно, что для освобождения белков-мишеней некоторым шаперонам необходима АТФ (Haslbeck et al., 2005). Этот факт хорошо объясняется с позиций представлений Линга: связывание АТФ приводит к разборке вторичных структур, образовавшихся на нативно-развернутом участке молекулы шаперона, осуществлявших связывание с белком-мишенью. В результате, комплекс шаперона с мишенью распадается.

Для других шаперонов роль АТФ могут играть другие лиганды.

Нативная агрегация, как и любой другой процесс в клетке, может быть объектом регуляции. Различные факторы могут вмешиваться в ее ход, порождая новые и новые сигнальные структуры. В качестве примера можно привести программируемую клеточную смерть. Механизм генетической регуляции апоптоза может быть источником сигнала, который приведет к тому, что в результате нативной агрегации возникнет структура, которая запустит весь каскад реакций, необходимых для деградации клетки. С точки зрения нативной агрегации, такая структура может возникнуть в любой части клетки — в ядре, цитоплазме, органеллах, плазматической мембране. «Структура смерти», порожденная нативной агрегацией, может возникнуть и при повреждении клетки (или ее частей). По такому же механизму могут возникать любые другие патологии клетки, например, рак.

Из особенностей раковой клетки отмечу то, что непосредственно относится к теме настоящей статьи. Известно, что содержание связанной воды в раковых клетки меньше, чем в клетках-предшественниках (Chaplin, 2006). Именно на этом различии основана технология магнитно-резонансной томографии, позволяющая неинвазивно распознавать раковые опухоли. С точки зрения Линга, это означает, что нативно-развернутых белков в раковой клетке меньше, чем в нормальной. В то же время in silicio показано, что количество нативноразвернутых участков больше в белках раковых клеток: в белках, ассоциированных с раковой трансформацией, таких участков больше на 70%, а у сигнальных белков — их в раз больше (Iakoucheva et al., 2002). Очевидно, что нативно-развернутые белки представляют собой разнородную популяцию и непосредственно вовлечены в трансформации клеток патологического характера.

Динамика гидрофобной фазы живой клетки Как я уже говорил, клетка в состоянии покоя является гидрофильной системой. Об этом свидетельствуют данные по распределению гидрофобных веществ (витальных красителей) между клеткой и средой в условиях диффузионного равновесия: в состоянии покоя клетка такие вещества не поглощает (Насонов, 1962).

Здесь я хотел бы обратить внимание читателя на очень важное обстоятельство: в условиях диффузионного равновесия плазматическая мембрана перестает работать как барьер на пути диффундирующего вещества. Абсолютно непроницаемых мембран нет, особенно для гидрофобных веществ. Краситель, несомненно, проникает в покоящуюся клетку, но не накапливается в ней. Почему Причины две: в клетке отсутствуют гидрофобные центры связывания для красителей, а внутриклеточная вода является для них плохим растворителем. По этим причинам молекулы красителей, проникших в клетку, в конечном счете, выталкиваются из клетки в среду. Таким образом, в условиях диффузионного равновесия характер распределения вещества между клеткой и средой определяется только двумя факторами: сорбцией на внутриклеточных структурах и плохой растворяющей способностью внутриклеточной воды (Troshin, 1966; Ch. 5).

Все меняется, когда клетка переходит в возбужденное состояние: связывание витальных красителей в условиях диффузионного равновесия возрастает на десятки и сотни процентов (Насонов, 1962). Этому может быть только одно объяснение: в клетке взрывообразно нарастает объем гидрофобной фазы (Matveev, 2005).

Гидрофобная фаза привычно ассоциируется с липидной фазой мембран, но объем липидной фазы ничтожно мал по сравнению с размером клетки и, самое главное, — он не может за доли секунды возрасти в десятки раз. Однако, как мы уже знаем, в возбужденной клетке белки претерпевают денатурационные изменения (Насонов, 1962). Следовательно, причину увеличения гидрофобности клетки следует искать в белках, а не в липидах (Matveev, 2005).

Гипотеза нативной агрегации дает простое объяснение гидрофобному взрыву в клетке:

причиной роста гидрофобной фазы является появление в клетке возбужденных белков.

Действительно, при превышении порога возмущающего действия на нативно-развернутые белки, в них, согласно предлагаемому подходу, начинают формироваться вторичные структуры, а затем эти вторичные структуры, в ходе нативной агрегации, включаются в гидрофобные области новых структур — структур возбуждения. Как я уже говорил, гидрофобные области формируются не только расплавленными глобулами, но и вторичными структурами, возникающими при сворачивании развернутых участков белков.

Высокая скорость образования вторичных структур, укладывающаяся в микросекундный диапазон времени (Финкельштейн и Птицын, 2005; лекция 9), определяет и высокую скорость нативной агрегации в целом, что и позволяет говорить о гидрофобном взрыве в возбужденной клетке. При обратном переходе в состояние покоя, клетка вновь становится гидрофильной. Согласно гипотезе нативной агрегации, значительные изменения гидрофобной фазы могут иметь место в любой клеточной структуре, включая мембраны и органеллы.

Предположение о существовании временных гидрофобных фаз белков объясняет интересные явления, известные из фармакологии, когда эффективность лекарственного препарата зависит от степени функциональной активности клетки-мишени. Самым известным примером такого рода является, вероятно, верапамил. Это гидрофобное (Kasim et al., 2004) соединение практически не влияет на обычный ритм сердечных сокращений, но с высокой эффективностью подавляет учащенное сердцебиение. Такая же закономерность наблюдается и при действии верапамила на скелетные мышцы. Эту зависимость можно объяснить тем, что при возбуждении в мышечном волокне возникают гидрофобные рецепторы, связывающие верапамил. Эффект верапамила объясняется его блокирующим действием на медленные кальциевые каналы, но с точки зрения принципов нативной агрегации, в клетке могут быть и другие динамичные гидрофобные мишени для фармакологических агентов разных типов. Иначе говоря, исходя из принципов нативной агрегации, можно предсказать существование лекарств, которые действуют только на активную клетку, причем их мишени могут находиться не только в мембране (как в случае с верапамилом), но и в других частях клетки. На клетку в состоянии покоя (здоровую клетку) такие лекарства не будут оказывать заметного влияния.

Роль динамичной гидрофобной фазы белков в жизни клетки совершенно не изучена. Она является неизвестным в уравнении клеточной физиологии. Сейчас о значении этого Xфактора можно говорить, прибегая лишь к самым общим закономерностям, основанным на простых физических принципах. Например, очевидно, что появление в клетке гидрофобной фазы вызовет перераспределение в клетке всех гидрофобных соединений, включая ATP (Matveev, 2005). Начнется перераспределение гидрофобных веществ и между клеткой и средой.

Однако толчок к перераспределению веществ даст не только появление временной гидрофобной фазы, но и десорбция воды с поверхности белков. С началом формирования вторичных структур адсорбированная вода станет свободной, и «плохой» растворитель станет «хорошим». Это приведет к быстрому вторжению небольших молекул растворенных веществ в области, которые ранее занимала адсорбированная вода. Если принять во внимание большую скорость формирования вторичных структур (Финкельштейн и Птицын, 2005; лекция 9), то становится очевидным, что при быстром разрушении упорядоченной структуры воды возникнут резкие градиенты концентраций таких веществ. В случае ионов, повсюду в клетке, в микрообъемах, будут возникать значительные диффузионные потенциалы, которые могут оказаться одной из причин появления расплавленных глобул.

Значительные концентрационные градиенты растворенных веществ могут возникать и при восстановлении упорядоченных слоев воды, так как скорость их восстановления также будет определяться высокой скоростью разборки вторичных структур активированных белков.

Очевидно, что в ходе нативной агрегации плотность и жесткость белкового матрикса будет возрастать из-за увеличения числа межбелковых контактов. Это создает еще больше трудностей для тех моделей регуляции клеточных функций, которые строят свои механизмы на свободной диффузии веществ в клетке, так как с ростом плотности белкового матрикса значение диффузионных процессов будет снижаться.

Если вернуться к протореакции клетки, то можно уверенно заключить, что гипотезе нативной агрегации удается дать объяснение увеличению вязкости и мутности цитоплазмы (рис.1), а также увеличению объема гидрофобной фазы клетки. Причем, из предложенного механизма ясно, что указанные изменения будут происходить синхронно потому, что ключевым звеном всех этих изменений является структурная перестройка одних и тех же ключевых белков.

Заключение Краеугольным камнем гипотезы нативной агрегации является генерация в белках временных вторичных структур, способных избирательно взаимодействовать с другими вторичными структурами того же белка или других белков. Неспецифическая реакция клеток, исследованная школой Насонова, оказывается в действительности наполненной мириадами специфических белок-белковых взаимодействий. Поскольку нативная агрегация направляется активными вторичными структурами белков, она оказывается под полным генетическим контролем, а догму Анфинсена (Anfinsen, 1973), сформулированную для сворачивающейся полипептидной цепи, можно расширить, включив в сферу ее применимости и нативную агрегацию.

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»