Вторичные мессенджеры

Вторичные мессенджеры, или посредники, это внутриклеточные вещества, концентра­ция которых строго контролируется гормо­нами, нейромедиаторами и другими внекле­точными сигналами (см. с. 372) Такие веще­ства образуются из доступных субстратов и имеют короткий биохимический полупери­од. Наиболее важными вторичными мессен­джерами являются цАМФ(сАМР), цГТФ (cGTP), Са²*, инозит-1,4,5-трифосфат [ИФ₃ (lnsP₃)], диацилглицерин [ДАГ (DAG)] и мо­нооксид азота (NO).

А. Циклический АМФ »

Биосинтез. Нуклеотид цАМФ (3 ,5’-цик- лоаденозинмонофосфат, сАМР) синтези­руется мембранными аденилатциклазами [1] — семейством ферментов, катализиру­ющих реакцию циклизации АТФ (АТР) с об­разованием цАМФ и неорганического пи­рофосфата. Расщепление цАМФ с образо­ванием АМФ (АМР) катализируется фос- фодиэстеразами [2], которые ингибируют­ся при высоких концентрациях метилиро­ванных производных ксантина, например кофеином

Активность аденилатциклазы контролиру ется G-белками, которые в свою очередь со­пряжены с рецепторами третьего типа, уп­равляемыми внешними сигналами (см. с

372. . Большинство G-белков (Gs-белки) ак­тивируют аденилатциклазу, некоторые G- белки ее ингибируют (G,-белки) Некоторые аденилатциклазы активируются комплексом Са²' /каиьмодулин

Мехвнизм действия. цАМФ является ал- лостерическим эффектором протеинкиназ А (ПК-А) [3] и ионных каналов (см с 372) В неактивном состоянии ПК-A является тетра­мером, две каталитические субъединицы (К- субъединицы) которого ингибированы регу­ляторными субъединицами (Р-субъедини- цы) (аутоингибирование) При связывании цАМФ Р-субъединицы диссоциируют из комплекса и К-единицы активируются Фер­мент может фосфорилировать определен­ные остатки серина и треонина в более чем 100 различных белках, в том числе во многих ферментах (см с 158) и факторах транс­крипции В результате фосфорилирования изменяется функциональная активность этих белков.

Наряду с цАМФ функции вторичного мессенджера может выполнять и цГМФ (cGMP) (см с 346) Оба соединения раз­личаются по метаболизму и механизму действия.

Б. Роль ионов кальция )

Уровень ионов кальция. Концентрация ио­нов Са²⁺ в цитоплазме нестимулированной клетки очень низка (10-100 нМ). Низкий уро­вень поддерживается кальциевыми АТФ-аза- ми (кальциевыми насосами) и натрий-каль- циевыми обменниками Резкое повышение концентрации ионов Са²⁺ в цитоплазме (до 500-1000 нМ) происходит в результате от­крывания кальциевых каналов плазматичес­кой мембраны или внутриклеточных кальцие­вых депо (гладкого и шероховатого эндо- плазматического ретикулума). Открывание каналов может быть вызвано деполяризаци­ей мембран или действием сигнальных ве­ществ, нейромедиаторов (глутамат и АТФ, см. с. 342), вторичных мессенджеров (ИФ₃ и цАМФ), а также вещества растительного про­исхождения рианодина В цитоплазме и кле­точных органеллах имеется множество бел­ков способных связывать Са²*, некоторые из них выполняют роль буфера.

При высокой концентрации в цитоплазме ионы Са²⁺ оказывает на клетку цитотоксичес- кое действие. Поэтому уровень кальция в от­дельной клетке испытывает кратковремен­ные всплески, увеличиваясь в 5-10 раз, асти- муляция клетки увеличивает лишь частоту этих флуктуаций

Действие кальция опосредовано специ­альными Са²⁺-связывающими белками (■<кальциевыми сенсорами»), к которым при­надлежат аннексии, кальмодулин и тропо­нин (см. с. 326). Кальмодулин — сравни­тельно небольшой белок (17 кДа) — присут­ствует во всех животных клетках При связы­вании четырех ионов Са²⁺ (на схеме голубые кружочки) кальмодулин переходит в актив­ную форму способную взаимодействовать с многочисленными белками. За счет актива ции капьмодулина ионы Са²⁺ оказывают влияние на активность ферментов, ионных насосов и компонентов цитоскелета.

2. Инозит-1,4,5-трифосфвт и дивцилглицерин I

Гидролиз фосфатидилинозит-4 5-дифосфа та [ФИФг (PlnsP₂)] фосфолипазой С [4] при водит к образованию двух вторичных мессен­джеров инозит 1,4,5-трифосфата и диацил- глицерина. Гидрофильный ИФз поступает в эндоплазматический ретикулум [ЭР (ER)] и индуцирует высвобождение ионов Са²⁺ из за­пасающих везикул. Лилофильный ДАГ оста­ется в мембране и активирует протеинкиназу

100. которая в присутствии Са²⁺ фосфорилиру ет различные белковые субстраты, модули­руя их функциональную активность

рецептор третьего типа JjJ аденилатциклаза 4.6.1.1

2 фосфодиэстераза 3.1.4.17 кальмодулин [1] протеинкиназа А 2.7.7.37

О X

G-белок

В

АТР [ 1 —► с АМР

PPi Ж ^НгО

и

ионный канал А. Циклический АМР

/ метилированный ксантин

/ ф

► АМР

АТР

_О

ферменты, факторы транскрипции

| 3] протеинкиназа А

ADP^V.^

Са²©

Са²©*

V

О,

АТР

' Na©

:£=

АТР

Са²®

^♦ADP

. Са²©_

10-100 нМ

г

ADP-O

^p'l

lnsP3

Са²©

Г \

^шк

^Са²®**⁷

рианодин

кальции-

зависимый

белок

л,

С АМР ( 500-1000 нМ'

1. Транспорт кальция

Б. Роль ионов кальция

= -= =Щ>-

деполяризация

2. Кальмодулин

V Са²©

~ 2500000 нм

глутамат

АТР

рецептор первого типа рецептор третьего типа

t

DAG

С ацил-1 )| _Н20

С ацил-2 ~)1 _

2) £—0—^протеин-

киназа С

PlnsP2

■ фосфолипаза С 3

_н I I o-iP) высвобождение

_р ^н^р^точногс

н он

lnsP3

Эйкозаноиды

Медиаторы (локальные гормоны) — широко распространенная группа сигнальных ве­ществ, которые образуются почти во всех клетках организма и имеют небольшую дальность действия. Этим они отличаются от классических гормонов, синтезирующих­ся в специальных клетках желез внутренней секреции. Наиболее важными представите­лями медиаторов являются гистамин и эй­козаноиды- В этом разделе на примере эй- козаноидов рассматриваются основные свойства медиаторов.

А. Эйкозаноиды 3

Эйкозаноиды большая группа медиаторов, обладающих широким спектром биологиче­ской активности. Предшественником эйко- заноидов является арахидоновая кислота (20:4) (см. с. 54) — полиненасыщенная жир­ная кислота, входящая в состав фосфолипи­дов плазматических мембран.

Биосинтез. Эйкозаноиды образуются почти во всех клетках организма. Биосинтез начинается с гидролиза фосфолипидов плазматической мембраны под действием фосфолипазы Аг [1]. Активность этого фер­мента строго контролируется гормонами и другими биорегуляторами, сопряженными с С-белками. Свободная арахидоновая кисло­та также является биологически активным соединением. Однако гораздо большее зна­чение имеют ее метаболиты: простагланди- ны, п роста циклины, тромбоксаны и лейко- триены, которые носят групповое название эйкозаноиды (от греч. eikosi — 20).

К эйкозаноидам ведут два главных пути биосинтеза. Первый инициируется простаг- ландин-синтазой, обладающей свойствами циклооксигеназы и пероксидазы [2], второй

• липоксигеназой [3].

Простагландин-синтаза [2] катализирует двухстадийную реакцию превращения ара- хидоновой кислоты в простагландин Нг- Последующие реакции, катализируемые различными ферментами, приводят к обра­зованию простагландинов, простацикли- нов и тромбоксанов.

Окисление полиеновых киспот при уча­стии липоксигеназы приводит к образова­нию гидроперокси- и гидроксипр изв д ных жирных кислот, из которых путем де­

гидратации и за счет различных реакций пе­реноса образуются лейкотриены. На схеме приведены структурные формулы отдельных представителей разных групп эйкозаноидов.

Биологическая активность эйкозанои­дов. Эйкозаноиды обладают чрезвычайно разносторонней физиологической активно­стью. Они служат вторичными мессендже­рами гидрофильных гормонов, контролиру­ют сокращение гладкомышечной ткани (кро­веносных сосудов, бронхов, матки), прини­мают участие в высвобождении продуктов внутриклеточного синтеза (гормонов, HCI, мукоидов), оказывают влияние на метабо­лизм костной ткани, периферическую нерв­ную систему, иммунную систему, передви­жение и агрегацию клеток (лейкоцитов и тромбоцитов), являются эффективными ли­гандами болевых рецепторов.

Эйкозаноиды действуют как локальные биорегуляторы путем связывания с мемб­ранными рецепторами в непосредственной близости от места их синтеза как на синте­зирующие их клетки (аутокринное дейст­вие), так и на соседние клетки (паракринное действие). В некоторых случаях их действие опосредовано цАМФ и цГМФ.

Метаболизм. Эйкозаноиды инактивиру­ются в течение нескольких секунд в резуль­тате восстановления двойных связей и окис­ления гидроксигрупп. Благодаря быстрому разрушению дальность действия эйкозано­идов ограничена.

Дополнительная информация

Ацетилсалициловая кислота и другие жаро­понижающие препараты являются специфи­ческими ингибиторами простагландин-син- тазы. Они необратимо инактивируют фер­мент путем ацилирования остатка серина вблизи активного центра, перекрывая тем самым подход субстрата к активному цент­ру Этим объясняется болеутоляющее, жа­ропонижающее и антиревматическое дейст­вие подобных препаратов. В желудке такие препараты подавляют биосинтез простаг­ландинов, которые стимулируют выделение мукоидов, защищающих слизистую оболоч­ку от действия протеолитических фермен­тов. Поэтому продолжительный прием аце­тилсалициловой кислоты может вызвать яз­венную болезнь желудка и двенадцатипер­стной кишки.

Незаменимые жирные кислоты линолевая кислота

I

линоленовая

кислота

I

арахидоновая

кислота

включение в биосинтез эйко|заноидов

фосфолипид|

т

V-

гормоны и другие сигнальные вещества

— — арахидоновая

простагландин- пероксидазный кислота

синтаза центр

канал n циклоокси- _ геназы

Эи^ OCX

эоахооо

_ j ацетил- Sew- салициловая И ‘ ' 1 кислота

оооооо

осссссо

арахидоновая кислота

^соо^е

арахидоновая кислота 31 липоксигеназа

г идропероксиды и гидроксипроизводные жирных кислот

простагландин Нг

леикотриен

S—Cys-Qy

СОО®

простациклин

простагландины

тромбоксаны

простациклин 1_г

но' ^н кГ он

простагландин F2_a

н он тромбоксан В_г

Эйкозаноиды стимулируют:

сокращение гладкомышечной ткани, биосинтез стероидных гормонов, секрецию желудочного сока.

П~1 фосфолипаза А_г 3.1.1.4 А. Эйкозаноиды

гормднзависимые липазы агрегацию тромбоцитов, болевые реакции, воспалительные реакции

12‘ простагладин Н-синтаза (гем)

(диоксигеназа+пероксидаза) 1.14.99.1

13] арахидонат-липоксигеназы 1.13.11. п

Цитокины А. Цитокины О

Цитокины — группа гормоноподобных бел­ков и пептидов — синтезируются и секрети- руются клетками иммунной системы и дру­гими типами клеток. Разнообразные биоло­гические функции цитокинов подразделяют­ся на три группы: они управляют развитием и гомеостазом иммунной системы, осуще­ствляют контроль за ростом и дифференци- ровкой клеток крови (системой гемопоэза) и принимают участие в неспецифических за­щитных реакциях организма, оказывая влия­ние на воспалительные процессы, свертыва­ние крови, кровяное давление. Вообще ци­токины принимают участие в регуляции рос­та, дифференцировки и продолжительности жизни клеток, а также в управлении апопто- зом (см. с. 383).

На сегодня открыто множество цитоки­нов, в этом разделе перечислены лишь груп­повые названия. Цитокины включают интер­лейкин ы [ИЛ (IL)], лимфокины, монокины, хемокины, интерфероны [Иф (IFN)], коло- нийстимулирующие факторы [КСФ (CSF)].

В то время как структурная гомология сре­ди цитокинов — явление редкое, по биологи­ческим свойствам цитокины очень близки. От гормонов (см с. 359) цитокины отличаются лишь частично: они продуцируются не желе­зами внутренней секреции, а различными ти­пами клеток; кроме того, они контролируют гораздо более широкий спектр клеток-ми­шеней по сравнению с гормонами

Б. Рецепторы цитокинов О

Цитокины — гидрофильные сигнальные ве­щества, действие которых опосредовано специфическими рецепторами на внешней стороне плазматической мембраны (см с.

372. . Связывание цитокинов с рецептором

1. приводит через ряд промежуточных ста­дий (2-5) к активации транскрипции опре­деленных генов (6).

Сами цитокиновые рецепторы не облада­ют тирозинкиназной активностью (за немно­гими исключениями). После связывания с цитокином (1) молекулы рецептора ассоци­ируют, образуя гомодимеры. Кроме того, они могут образовывать гетеродимеры за счет ассоциации с белками-переносчиками сигнала [БПС (STP)] или стимулировать ди- меризацию самих БПС (2). Цитокиновые ре­

цепторы класса I могут агрегировать с тремя типами БПС: белками GP130, р_с или Эти вспомогательные белки сами не способны связывать цитокины, но они осуществляют передачу сигнала на тирозинкиназы (3). Одинаковые спектры биологической актив­ности многих цитокинов объясняются тем, различные цитокин-рецепторные комплек­сы могут активировать одни и те же БПС.

В качестве примера передачи сигнвла от цитокинов на схеме показано, как рецептор ИЛ-6 (IL-6) после связывания с лигандом (1) стимулирует димеризацию GP130 (2). Ди­мер мембранного белка GP130 связывает и активирует цитоплазматическую тирозинки- назу ЯК-семейства (Янус-киназы, имеющие два активных центра) (3). Янус-киназы фос- форилируют цитокиновые рецепторы, БПС и различные цитоплазматические белки, ко­торые осуществляют дальнейшую передачу сигнвла; они также фосфорилируют факто­ры транскрипции — переносчики сигнвла и активаторы транскрипции [ПСАТ (STAT, от англ. signal transducers and activators of transcription)]. Эти белки относятся к семей­ству БПС, имеющих в структуре 5Н2-дол*ен, узнающий остатки фосфотирозина (см. с.

372. . Поэтому они обладают свойством ас­социировать с фосфорилированным цито- киновым рецептором. Если затем происхо­дит фосфорилирование молекулы ПСАТ (4), фактор переходит в активную форму и обра­зует димер (5). После транслокации в ядро димер в качестве фактора транскрипции связывается с промотором (см. с. 240) ини­циируемого гена и индуцирует его транс­крипцию (6).

Некоторые цитокиновые рецепторы могут за счет протеолиза утрачивать экстрацел- люлярный лигандсвязывающий домен (на схеме не приведен). Домен поступает в кровь, где конкурирует за связывание с ци­токином, что снижает концентрацию цитоки- на в крови.

Дополнительнвя информация

В совокупности цитокины образуют регуля­торную сетку (каскад цитокинов) с много­функциональным действием. Взаимопере- крывание между цитокинами приводят к то­му, что в действии многих из них наблюдает­ся синергизм, а некоторые цитокины явля­ются антагонистами. Часто в организме можно наблюдать весь каскад цитокинов со сложной обратной связью.

фосфорилирование STAT

iBrTU^nL'

А

• © (

димеризация STAT

SI-12-домен связывающий остаток фосфотирозина

STAT

Туг

STAT^/|(D

димер STAT

©1 «О

клеточное

ядро контроль Транскрипцм

Б. рецепторы цитокиноа

остаток

фосфотирозина

димер

STAT

Рост и развитие. Деление клеток

Клеточный цикл А. Клеточный цикл •

Характерным свойством пролиферирующих клеток является их способность к делению. У животных клеток интервал между митоза­ми (клеточный цикл, точнее митотический цикл) составляет примерно 10-24 ч (в при­мере приведенном на схеме, 24 ч). За это время клетка проходит четыре фазы жиз­ненного цикла: G^-фазу начального роста, S-фазу удвоения молекул ДНК (реплика­ции, см. с. 239), Сг-фазу роста и М-фазу клеточного деления. Наиболее детально изучена фаза клеточного деления, митоз (М-фаза). В Gi-фазе, продолжительность которой может сильно варьировать, проис­ходит синтез мРНК, белков и других компо­нентов клетки. У некоторых клеток в жизнен­ном цикле может отсутствовать Gi-фаза. Клетки, которые прошли дифференцировку и больше не делятся, постоянно находятся в фазе покоя G₀ При стимуляции митогена- ми (например, ростовыми факторами, онко- генными вирусами) покоящиеся клетки мо­гут вернуться в состояние свойственное фазе Gi Если такие клетки пройдут крити­ческую точку, они вступают в S-фазу. С₂-фа- за является конечным этапом подготовки клетки к делению.

В совокупности фазы Gi, G₀, S и G2 носят название интерфазы В клеточном цикле интерфаза сменяется существенно более короткой фазой митоза (М).

Б. Регуляция клеточного цикла )

Регуляция клеточного цикла осуществляет­ся посредством обратимого фосфорилиро­вания/ дефосфорили рован ия регуляторных белков (см. с. 117). Ключевым белком, регу­лирующим вступление клетки в митоз (G2/M-переход), является специфическая серин/треонин-протеинкиназа, которая но­сит название фактор созревания [ФС (MPF, от англ. maturation promoting factor)] В ак­тивной форме фермент катализирует фос- форилирование многих белков, принимаю­

щих участие в митозе, таких, например, как входящий в состав хроматина гистон Н1 (см. с. 236), ламин (компонент цитоскелета, об­наруженный в ядерной мембране), факторы транскрипции, белки митотического верете­на и ряд ферментов, фосфорилирование этих белков запускает процесс митоза После завершения митоза регуляторная субъединица ФС, циклин, маркируется уби- квитином и подвергается протеолизу (см с. 178). Теперь наступает очередь протеин- фосфатаз, которые дефосфорилируют бел­ки, принимавшие участие в митозе, после чего клетка возвращается в состояние ин­терфазы

ФС — гетеродимерный фермент, включа­ющий регуляторную субъединицу, циклин, и каталитическую субъединицу, циклинзави- симую киназу [ЦЗК (CDK от англ. cyclin dependent kinase) или p34^cdc2; 34 кДа]. Ак­тивной формой фермента является лишь ди­мер ЦЗК+циклин. Кроме того, активность протеинкиназы регулируется путем обрати­мого фосфорилирования самого фермента (на схеме представлен предельно простой вариант этого процесса).

В клетках позвоночных присутствует ряд различных циклинов и циклинзависимых киназ Разнообразные сочетания двух субъе­диниц фермента регулируют запуск митоза начало процесса транскрипции в Gi-фазе, переход критической точки после заверше­ния транскрипции, начало процесса реплика­ции ДНК в S-периоде интерфазы (стартовый переход) и другие ключевые переходы кле­точного цикла (на схеме не приведены).

В ооцитах лягушки вступление в митоз (G2/M-переход) регулируется путем измене­ния концентрации циклина. Циклин непре­рывно синтезируется в интерфазе до дости­жения максимальной концентрации в фазе М, когда запускается весь каскад фосфори­лирования белков, катализируемый ФС. К окончанию митоза циклин быстро разруша­ется протеиназами, также активируемыми ФС. В других клеточных системах актив­ность ФС регулируется за счет различной степени фосфорилирования самого фер­мента.

-с циклит у В, С. D.

интерфаза

гистон Н1, ламин,

лротеинкиназы,

факторы

транскрипции

HI

©

прочие белки Б- Регуляция клеточного цикла

образование веретена, конденсация хромосом, разрушение ядерной мембраны,

. фосфопротеин- остановка транскрипции фосфатаза деградация циклина

2. _ протеинкиназа

Рост и развитие. Деление клеток

Апоптоз

А. Пролиферация клеток и апоптоз I

Количество клеток в ткани регулируется двумя процессами — пролиферацией кле­ток и «программированной. или физиологи­ческой гибелью клеток» (апоптозом) Оба процесса в организме находятся под конт­ролем стимулирующих или ингибирующих факторов, которые присутствуют в раство­римой форме или экспрессируются на по­верхности соседних клеток

Апоггтоз — генетически запрограммиро­ванная гибель клеток, которая приводит к «аккуратной» разборке и удалению клеток. Морфологическими признаками этого ак­тивного процесса являются изменения кле точной мембраны («отшнуровывание» пу­зырьков, так называемых апоптотических телец), распад клеточного ядра, уплотнение хроматина и фрагментация ДНК Клетки, подвергшиеся апоптозу, распознаются мак­рофагами и другими фагоцитирующими клетками и быстро элиминируются Очень важно то, что при апоптозе не развивается воспалительный процесс

Другой вид гибели клеток некроз, отлича­ется от апоптоза тем, что он развивается в результате повреждения клеточной мембра­ны химическими агентами или физическими факторами При некрозе поврежденные клет­ки набухают, а затем лизируются, при этом часто развивается воспалительный процесс.

С помощью апоптоза осуществляется ре­гуляция объема или точнее количества кле­ток в той или иной ткани. В особенности это касается быстро пролиферирующих клеток, таких, как клетки кроветворной системы или гепатоциты печени Посредством апоптоза организм избавляется от ненужных, или «от­работавших», клеток, например во время эм­брионального развития, при формировании нервной системы и при иммунном ответе Путем апоптоза элиминируются трансфор­мированные клетки, например при канцеро­генной дегенерации, вирусной инфекции или необратимом повреждении ДНК в случае об­лучения. Примером апоггтоза является шелу­шение кожи при солнечном загаре

Б. Регуляция апоптоза О

Апоптоз запускается внешними сигналами которые используют различные сигнальные пути. Большинство этих путей действитель­но запускают апоптоз, однако некоторые пу­ти его блокируют.

Фактор некроза опухолей [а-ФНО (TNF- а) см. с. 379] связывается с ФНО рецепто­ром первого типа и запускает апоптоз Цен­тральное место в регуляции апоптоза при­надлежит цистеиновым протеиназам (см. с. 178), родственным интерлейкин-1/3-кон- вертазе (ИК) Предполагают, что активация этих протеиназ через ФНО-рецептор про­исходит как многоступенчатый процесс бе- лок-белкового взаимодействия. ИК-подоб- ные протеиназы специфическим образом расщепляют поли-(АДФ-рибозил)-полиме- разу (ПАРП), белки вп-рибонуклеопротеид- ного комплекса, ламин (белок ядерной мембраны) и другие белки. Эти измененные за счет протеолиза белки запускают про­цесс апоптоза.

По аналогичному пути реализуется сигнал от Fas-лиганда, белка клеточной мембраны соседних клеток. Fas-лиганд в виде тримера связывается с Fas-рецептором. Затем, по аналогии с ФНО-рецептором, сигнал пере­дается на цистеиновые протеиназы Для ФНО- и Fas-специфичных рецепторов хара­ктерно, что они активируются путем образо вания олигомеров

Источником сигнала может быть и клеточ­ное ядро. Так, белок р53, продукт онко-су- прессорного гена (см. с. 385), который тоже активирует цистеиновые протеиназы может быть активирован посредством нерепара- бельного разрыва ДНК (DNA). Утрата клет­кой белка р53 ведет к повышенной скорости роста опухоли.

Сигналам, которые активируют апоптоз, противостоят другие сигналы, блокирую­щие апоптоз. Таким сигналом может быть белок Ьс|-2 или родственные белки Ген этого белка присутствует в геноме некото­рых вирусов. С помощью продукта этого гена вирусы препятствуют преждевремен­ной гибели клетки-хозяина посредством апоптоза.

Рост и развитие. Деление клеток

Онкогены

А. Протоонкогены: биологическая роль Ь

Онкогенами называют гены, вызывающие развитие опухолей. Вирусные онкогены сна­чала были обнаружены у онкогенных виру­сов Клеточные онкогены, так называемые протоонкогены, являются почти точными копиями (гомологами) вирусных онкогенов Кодируемые такими генами белки принима­ют участие в регуляции процессов роста и дифференцировки в особенности клеточ­ной пролиферации (см. с. 381) В свою оче­редь контроль за функционированием этих генов осуществляется генами-онкосу- лрессорами (антионкогенами).

Протоонкогены приобретают свойства онкогенов за счет мутации, делеции, супер­экспрессии, т. е. они могут вызывать разви­тие опухоли, если одновременно нарушена регуляция со стороны генов-супрессоров.

Б. Продукты онкогенов: биохимические функции I

Общим признаком всех онкогенов является кодирование белков, принимающих участие в передаче сигнала

1. Лиганды кодируемые протоонкогена­ми, обнаруживаются как внеклеточные про­дукты Они гомологичны ростовым факто­рам

2. Кодируемые протоонкогенами мемб­ранные рецепторы подобны рецепторам первого типа, которые имеют один транс­мембранный домен, обладающий тирозин- киназной активностью и способный связы­вать гормоны и ростовые факторы (см. с.

373).

3. В нормальных клетках ГТФ-связываю- щие белки присутствуют как в плазматиче­ской мембране, так и в цитоплазме Мемб­ранные G-белки передают сигнал от рецеп­торов третьего типа, имеющих семь транс­мембранных тяжей (см. с. 373), на эффек- торные системы плазматической мембраны. Внутриклеточные G-белки принимают уча­стие в регуляции синтеза и транспорта бел­ков. G-белки медленно гидролизуют ГТФ

(GTP) до ГДФ и переходят в неактивное со­стояние Белки, кодируемые протоонкоге­ном ras и рядом других онкогенов, родствен­ны ГТФ-связывающим белкам.

4. Ядерные рецепторы гормонов пере дают сигнал от липофильных сигнальных ве­ществ путем регуляции транскрипции опре­деленных генов (см. с. 367) Некоторые про­тоонкогены принадлежат к этому семейству лиганд-активируемых факторов транскрип­ции.

5. Ядерные онкосупрессоры блокируют вступление дифференцированных клеток в митотический цикл. Кодирующие их гены также могут быть отнесены к антионкогенам

6. ДНК-связывающие белки хроматина обладают разнообразными функциями Не­которые онкогены обнаруживают сходство с факторами транскрипции.

1. Протеинкиназы играют центральную роль в механизме внутриклеточной передачи сигнала Эти ферменты катализируют фос- форилирование белков, модулируя их био­логическую активность, которая возвраща­ется к норме лишь после действия протеин- фосфатаз Конверсия белков путем фосфо­рилирования (протеинкиназами) и дефосфо- рилирования (протеинфосфатазами) (см с. 117) считается основным механизмом регу­ляции многих внутриклеточных процессов К семейству протеинкиназ принадлежат мно­гие белки кодируемые протоонкогенами.

Большое семейство протеинкиназ под­разделяется на группы как по механизму ак­тивации, так и по типу субстрата. Проте- инкиназы А активируются цАМФ, протеинки­назы G — цГМф, протеинкиназы С — ди- ацилглицерином (ДАГ), Са²⁺/кальмодулин- зависимые киназы — ионами кальция (см. с.

375. . Классификация по типу субстрата за­висит от того, какая аминокислота фосфо­рилируется данным ферментом. Известны тирозинкиназы и серин/треонинкиназы При этом киназы могут иметь широкий спектр специфичности по субстрату или фо- сфорилировать только немногие белки Многие протеинкиназы являются раствори­мыми белками, другие относятся к мемб­ранным белкам, имеющим трансмембран­ные домены или заякоренным на мембране с помощью жирных кислот.

Г

трансформация

трансформи рованны i

белок

онкогенный вирус

возникновение

опухоли

трансформированный

регуля1 белок

регуляторный

дефектный ген- онкосупрессор

D I СГШП

увирусный онкоген

включение

в геном

^мутация,делеция . нарушение регуля-\> ^/ции

инициация

опухоли

протоонкоген —

нормальный рост, дифференцировка

ген-

онкосупрессор

регуляторный белок,

например р53-белок, нормальное

Rb-белок развитие

А. Протоонкогены: биологическая роль

Гг

потенциал-

управляемый

канал

♦

♦ ©

фермент- | эффектор ^

ГУН

Продукты онкогенов (примеры)

генЫ

G- белок

vTrp

вторичныи

мессенджер

прочие

эффекты

Г

П

Са²®

кальмодулин Ри-'

протеин­

киназа

С

лиганд- активиру- емыи канал

фосфо-

фактор протеин- рилиро-

транскрипции ^ фосфатаза ванный

белок

гормональ- ный

рецептор транскрипция

внутри- MgtpL/ клеточный —.

G-белок (3)

Б. Продукты онкогенов: биохимические функции

© Лиганды

sis. hst, int-2, wht-1

2. Рецепторы

fms, trk, trkB, ros, kit, mas. neu, erbB

2. GTP-связывающие белкие

Ha-ras, Ki-ras, N-ras

2. Ядерные рецепторы гормонов

erbA, NGF1-B

2. Ядерные онко­супрессоры

Rb, р53, wt1, DCC, АРС

2. DNA-связывающие белки

jun, fos, туе, N -туе, myb, fral, egr-1. rel

2. Протеинкиназы

sre, yes, fps, аЫ, met, mos, raf

Рост и развитие. Деление клеток

Канцерогенез

А. Особенности деления клеток •

Клетки организма обычно находятся под же­стким «социальным» контролем: они делятся до образования контактов с соседними клет­ками, после чего деление останавливается. Такое явление известно как контактное тор­можение. Исключением составляют эмбрио­нальные клетки, эпителий кишечника (посто­янная замена отмирающих клеток), клетки костного мозга (кроветворная система) и опухолевые клетки Неконтролируемая пролиферация считается важнейшим отли­чительным признаком опухолевых клеток.

На схеме показано деление клеток в куль­туре. В то время как нормальные клетки в ус­ловиях in vitro делятся до установления кон­такта с соседними клетками (примерно 20-60 циклов), опухолевые клетки делятся неограниченно долго и не подвержены кон­тактному торможению

Б. Трансформация клеток I

Превращение нормальной клетки в опухоле­вую носит название трансформация

В медицине принято различать доброка­чественные и злокачественные (малигнизи- рующие) виды опухолей Доброкачествен­ные опухоли растут относительно медленно и состоят из дифференцированных клеток. Малигнизирующие опухоли, напротив, де­монстрируют способность к быстрому и ин­вазивному росту и к метастазированию (об­разованию вторичных опухолей). В соответ­ствии с происхождением опухоли различают примерно 100 различных видов опухолей. В Европе и Северной Америке смертность от онкозаболеваний составляет более 20% от общего числа летальных исходов.

Нормальным клеткам присущи все свой­ства полностью дифференцированных кле­ток, выполняющих в организме определен­ные функции. Они не делятся и обычно нахо­дятся в фазе покоя (Go-фазе, см. с. 381). Эти клетки полиморфны и их форма определяет­ся структурированным цитоскелетом

Напротив, опухолевые клетки часто не- дифференцированы, по ряду свойств они напоминают эмбриональные клетки и делят­ся неограниченно, у них изменена клеточная

мембрана и они нечувствительны к контакт­ному торможению. Цитоскелет у опухолевых клеток также изменен, часто редуцирован из-за чего они имеют более или менее ок­руглую форму. Опухолевые клетки могут со­держать несколько ядер, не типичных по форме и размерам.

Для клинической идентификации опухо­лей важно располагать опухолевыми мар­керами Обычно это белки, которые проду­цируются опухолевой клеткой (группа 1) или синтезируются другими клетками, взаимо­действующими с опухолевыми (группа 2). К опухолевым маркерам группы 1 относятся опухоль-ассоциированные антигены, секре- тируемые гормоны и ферменты В таблице перечислено несколько маркеров этого типа.

Превращение нормальной клетки в транс­формированную — процесс многостадий­ный.

1. Инициация. Почти каждая опухоль на­чинается с повреждения ДНК в отдельной клетке. Этот генетический дефект может быть вызван канцерогенами, например кан­церогенными веществами (в частности ком­понентами табачного дыма), физическими факторами (УФ-излучение, рентгеновские лучи, см. с. 253) или онкогенными вирусами (см. с. 391) По-видимому, в течение челове­ческой жизни немалое число клеток орга­низма из общего их числа 10¹⁴ претерпевает повреждение ДНК. Однако для инициации опухоли важны лишь повреждения протоон­когенов (см с. 385) Эти повреждения явля­ются наиболее важным фактором, опреде­ляющим трансформацию соматической клетки в опухолевую К инициации опухоли может привести и повреждение антионкоге- на (гена-онкосупрессора, см. с. 385).

2. Промоция опухоли это преимущест­венное размножение измененных клеток, поврежденных опухоль-инициирующими факторами Такой процесс может длиться годами. В качестве модельных веществ, инициирующих развитие опухоли, использу­ются форболовые эфиры — вещества рас­тительного происхождения (из растений се­мейства молочайных), являющиеся актива­торами протеинкиназ С (см с. 385)

3. Прогрессия опухоли — это процессы размножения малигнизированных клеток, инвазии и мета стазиро ван ия, ведущие к по­явлению злокачественной опухоли

опухолевые клетки

нормальные клетки

Факторы, инициирующие рост

опухоли

вирусы -

Отличительные

признаки:

дифференцированы, не делятся, полиморфны

канцерогенные ^

вещества

физическое воздействие

Инициация опухоли:

I ^ г повреждение генетического

Промоция опухоли ■ он

HjC. _ /ч/ СН,

например, _н

форболовыми _Hj( эфирами,

гормонами? Ь /\ #

AFP

Опухолевые маркеры (примеры)

Опухоль-ассоциированные Ц антигены

СЕА эмбриональный

антиген

Промоция опухоли:

¹ w—I/w преимущественное

размножение поврежденных клеток

Отличительные признаки:

недифференцированы i делятся бесконтрольно изменены клеточные i поверхности, цитоскелет иядро

а-1 -фетопротеин

Гормоны кальцитонин АСТН ®

Ферменты кислая фосфатаза

~Т

Б.Трансформация клеток

Рост и развитие. Деление клеток

Цитостатики

Опухоль состоит из трансформированных клеток, которые благодаря мутации растут бесконтрольно (см. с. 384). Большинство трансформированных клеток распознаются и устраняются иммунной системой (см. с. 286) Ослабление защитных сил организма влечет за собой быстрое развитие опухоли. Можно пытаться подавить рост опухоли ме­тодами физио- или химиотерапии. Для этих целей используют рентгеновское облуче­ние, которое благодаря мутагенному дейст­вию блокирует размножение клеток (см. с. 252). Еще большее применение получило подавление опухолевого роста с помощью химиотерапии. Применяющиеся для этих целей вещества носят название цитостати- ков. К сожалению, как облучение, так и хи­миотерапия — методы недостаточно изби­рательные, т. е при таком воздействии на организм повреждаются и нормальные клет­ки, вследствие чего часто наблюдаются по­бочные эффекты.

Большинство цитостатико в прямо или ко­свенно подавляют удвоение ДНК в S-фазе клеточного цикла (см. с. 380). Первая группа веществ (А) взаимодействует с молекулами ДНК, блокируя при этом процессы транс­крипции и репликации. Вторая группа цито- статиков (Б) подавляет синтез предшест­венников ДНК.

А. Алкилирующие и интеркалирующие агенты О

К алкилирующим агентам относят химиче­ские соединения, образующие ковалентные связи с нуклеиновыми основаниями. Если в таких веществах имеются две реакционно- способные группировки, то в двунитевой ДНК (DNA) образуются внутри- и межмолеку- лярные мостики, что приводит к изгибу двой­ной спирали. В качестве примера можно привести циклофосфамид и неорганиче­ский комплекс цисплатин Интеркалирую­щие агенты, такие, как адриамицин, встраи­ваются между плоскостями нуклеиновых ос­нований за счет нековалентных связей и вы­зывают локальные изменения пространст­венной структуры ДНК (см. с. 250, Б).

Б. Антиметаболиты О

Анти метаболита ми называют ингибиторы ферментов (см. с. 100), избирательно бло­

кирующие метаболические пути. Большин­ство важных в клиническом отношении ци- тостатиков вмешиваются в биосинтез нук­леотидов. Многие из них являются произ­водными нуклеиновых оснований или нук­леотидов и служат конкурентными ингиби­торами соответствующих ферментов (см. с. 100). Некоторые антиметаболиты встра­иваются в ДНК и тем самым препятствуют репликации.

Введенные в организм цитостатики (по­мечены изображением шприца) часто дей­ствуют опосредовано, т. е. преобретают ак­тивность в результате метаболической трансформации. Так, аналог аденина 6- меркаптопурин вначале превращается в мононуклеотид, тиоинозинмонофосфат [тИМФ (tIMP)]. Из тИМФ через ряд промежу­точных стадий получается тдГТФ (tdGTP) (серосодержащее производное дГТФ), ко­торый встраивается в ДНК, где образует по­перечные связи и вызывает другие анома­лии Другим активным производным 6-мер- каптопурина является S-метил-тИМФ, инги­битор амидофосфорибозилтрансферазы (см. с. 190).

Гидроксимочевина избирательно инги­бирует рибонуклеотид-редуктазу (см. с. 192). Как ловушка свободных радикалов это соединение нейтрализует тирозин-радикал, необходимый для функционирования редук- тазы.

Два других важных цитостатика препятст­вуют синтезу тимина на стадии дезоксимо- нонуклеотида (см. с. 192). Дезоксимононук- леотид, образующийся из 5-фторурацила или соответствующего нуклеозида, ингиби­рует тимидилат-синтазу. Ингибирование ос­новано на том, что атом фтора в пиримиди­новом цикле не замещается на метильную группу. Кроме того, фторсодержащий ана­лог встраивается в ДНК.

Для тимидилат-синтазы вспомогатель­ным ферментом является дигидрофолет- редуктаза Этот фермент принимает участие в регенерации кофермента N⁵,N¹⁰-MemneH- ТГФ (N⁵,N¹⁰-methylene-THF): с потреблени­ем НАДФН он восстанааливает ДГФ (DHF) до ТГФ (THF). Аналог фолиевой кислоты ме­тотрексат. часто применяющийся цитоста- тик, является чрезвычайно эффективным конкурентным ингибитором дигидрофол ат- редуктазы. Действие цитостатика приводит к истощению клеток относительно N⁵,N¹⁰- метилен-ТГФ и. следовательно, к остановке синтеза ДНК.

vnn1 CO

фосфо- пуринв

рибозил- imp

амин

DNA

GMP —►GDP

I гипоксантин-фосфорибозил- о амидофосфорибозил

трансфераза 2.42.8 трансфераза 2.4.2.14

~2 тиопурин-метилтрансфераза , ₄ рибонуклеозид-дифси

67. редуктаза 1.17.4.1

1. II _ХС- СН

О N

иь'

5-фтордезокси- уридин моно­фосфат

первая стадия

! N⁵,N¹⁰MeTnneH-THF

-®-3]

\

5. -фторурацил 5-фтордезо кси- уридин

dTMP

\ I дигидрофолат dTTP

\ i

DNA

С " С ' СН

I II I

С N СНз t I

NHg Н₃С — N

метотрексат

(аметоптерин)

Ъос - СНр - сн_? - с - coo¹

I

н

Б. Антиметаболиты

5 тимидилат-синтаза 2.1.1.45

ди гидрофол ат-

I— редуктаза 1.5.1.3

Вирусы

Вирусы — это паразитические нуклеопроте- идные комплексы. Наиболее простые виру­сы имеют в своем составе тольку одну моле­кулу нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК, ни­когда вместе) и оболочку из молекул белка. В вирусах не идут процессы обмена ве­ществ, они разножаются только в клетке-хо- зяине Поэтому их не относят к живым орга­низмам Вирусы, которые при своем раз­множении повреждают клетку-хозяина, яв­ляются возбудителями заболеваний и счи­таются патогенными. К заболеваниям ви­русной этиологии относятся синдром при­обретенного иммунодефицита (СПИД), бе­шенство, полиомиелит корь, краснуха, ос­па, гепатит, грипп и другие инфекции верх­них дыхательных путей (простуды)

А. Примеры }

Из множества известных вирусов на схеме представлены лишь отдельные представите­ли ~ Все изображения даны при одинаковом увеличении. Вирусы, размножающиеся толь­ко в бактериях, носят название бактериофа­ги (коротко: фаги) Наиболее простое строе­ние имеет фаг М13 (1) Он состоит из одной однонитевой молекулы ДНК [онДНК (ssDNA)], содержащей примерно 7000 и.о. (н о. — нуклеиновое основание), окруженной белковой оболочкой из 2700 субъединиц, упакованных по спирали Оболочка вируса носит название капсид, а структура в целом

• нуклеокапсид, М13 используется в генной инженерии в качестве вектора (см. с. 256).

Фаг Т4 (1), один из наиболее крупных ви­русов, имеет более сложное строение В «головке» вируса содержится двунитевая ДНК [днДНК (dsDNA)], насчитывающая 170000 п.о.

Патогенный для растений вирус табач­ной мозаики (2) построен аналогично М13, но вместо ДНК содержит онРНК (ssRNA) К РНК-содержащим вирусам относится также вирус полиомиелита (полиовирус), вызы­вающий детский паралич. Нуклеокапсид ви­руса гриппа имеет дополнительную оболоч­ку, заимствованную у плазматической мемб­раны клетки-хозяина (В). На липидной обо­лочке фиксированы вирусные белки, прини­мающие участие в инфицировании клетки- хозяина.

Б. Капсид риновируса ~)

Риновирусы являются возбудителями так называемых «простудных заболеваний». Капсид этого вируса имеет форму икосаэд­ра, геометрической фигуры, построенной из 20 равносторонних треугольников. Оболоч­ка сформирована из трех различных белков, расположенных в форме пентамеров и гек­самеров.

В. Жизненный цикл вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) >

Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) из­вестен как возбудитель заболевания, кото­рое носит название синдром приобретенно­го иммунодефицита (СПИД) В структурном отношении ВИЧ подобен вирусу гриппа (А) Геном ВИЧ состоит из двух молекул одно- нитевои РНК [онРНК (ssRNA)], каждая моле­кула содержит 9200 и.о.). Вирус имеет дву­слойный капсид и окружен белоксодержа- щей мембраной ВИЧ инфицирует главным образом T-хелперные клетки (см. с 286), что в итоге может привести к выходу из строя иммунной системы.

При инфекции (1) мембрана вируса сли­вается с плазматической мембраной клет­ки-мишени и ядро нуклеокапсида попадает в цитоплазму (2) Там вирусная РНК (RNA) вначале образует гибрид РНК/ДНК (3), а за­тем транскрибируется с образованием днДНК (4) Обе реакции катализируются об­ратной транскригтгазой вируса. днДНК ин­тегрируется в геном клетки (5), где может оставаться в неактивном состоянии При ее активации вначале с помощью ферментов клетки-хозяина транскрибируется фрагмент ДНК, соответствующий вирусному геному

6. При этом идет репликация как вирусной онРНК, так и мРНК (mRNA), кодирующей предшественники вирусных белков (7) За­тем белки встраиваются в плазматическую мембрану клетки (8, 9) и там подвергаются протеолитической модификации (10). Цикл заканчивается почкованием вновь образо­ванных вирусных частиц (11)

Группа РНК-содержащих вирусов, к кото­рым принадлежит и ВИЧ, носит название ре­тровирусы, поскольку их жизненный цикл начинается с синтеза ДНК на РНК-матрице, т. е. с процесса обратного обычной тран- крипции, когда матрицей служит ДНК.

фаг М13

SSDNA 7000 н.о.

DNA фага

\ J

1. Бактери офаги А. Примеры вирусов

бактериальная клетка 30 нм

вирус гриппа оболочка ssRNA (8 молекул)

13600 н.о.

нуклеокапсид окружен оболочкой

тжг~

вирус табачной мозаики ssRNA 6400 н.о. структура спиралевидная

полио-вирус

ssRNA 7000 н о икосаэдрический капсид

2. Патогенные вирусы растений и животных

гексамер капсид

2. Модель икосаэдр из

вируса 180 мономеров

Б. Капсид риновируса

прочие вирусные 'ферменты

интеграция (-►

клеточное ядро DNA клетки-хозяина В. Жизненный цикл вируса иммунодефицита человека (ВИЧ)

Морфогенез

В биологии развития плодовая мушка Drosophila melanogaster является одним из наиболее важных модельных организмов.

А. Развитие плодовой мушки Э

Жизненный цикл плодовой мушки составля­ет примерно 10 дней. Он начинается в день О с откладки оплодотворенных яиц. Эмбрио­нальное развитие занимает один день (1), после чего зародыш превращается в не­большую личинку. Развитие личинки прохо­дит в три стадии, которые характеризуются быстрым ростом при условии обильного пи­тания (2, 3)- Затем личинка окукливается (4) и превращается во взрослую особь (имаго)

(5).

Эмбриональное развитие (1, наверху слева) начинается с многократного деления ядер, причем ядра не разделяются мембра­нами и остаются в цитоплазме (синцитиаль­ная бластодерма). Затем ядра мигрируют к поверхности яйца (1а) и разделяются кле­точными мембранами (16, клеточная бла­стодерма) На следующей стадии (гаструля- ции) образуются внутренние клеточные слои, которые дают начало различным тка­ням организма (1 в).

Развитие во азрослую особь (4, 5) про­исходит на стадии куколки. В куколке идет деградация тканей личинки и образование из имагинальных дисков (окрашены) тканей взрослого организма: антенн, глаз, крыльев, гениталий Имагинальные диски — это не­большие парные группы эмбриональных клеток, которые неактивны на стадии личин­ки, но активируются 20-гидроксиэкдизоном (см с. 62) на стадии куколки, образуя в ре­зультате деления и дифференцировки ткани взрослого организма.

Б. Роль генов — регуляторов развития О

Биохимические механизмы, регупирующие сложный процесс морфогенеза в период эмбрионального развития, рассматривают­

ся на примере плодовой мушки. Эмбрио­нальное развитие регулируется иерархиче­ской системой из трех классов генов: генов полярности яйца с материнским эффектом, генов сегментации и гомеозисных генов. Координированная экспрессия этих генов задает согласованную во времени и про­странстве программу, которая определяет назначение каждой клетки, ее положение и время активации.

Гены с материнским эффектом актив­ны в организме самки. Продукты этих генов депонируются в яйце и определяют про­странственные оси эмбриона, продольную (задне/переднюю) и дорсально/вентраль­ную оси. В качестве примера на схеме при­ведена мРНК (mRNA), кодируемая геном bicoid. Эта мРНК локализована на переднем полюсе яйца и с началом эмбриогенеза транслирует белок, который диффундирует от места синтеза, формируя градиент. Про­дукты других генов с материнским эффек­том также распределяются специфическим образом. Обычно это ДНК-связывающие белки, которые в качестве факторов транс­крипции стимулируют или блокируют экс­прессию других генов.

Гены сегментации принимают участие в реализации пространственной информа­ции, закодированной в генах с материнским эффектом. Продукты этих генов контролиру­ют образование сегментов, из которых со­стоит насекомое. Они подразделяются на несколько групп (gap genes, pair-rules genes, segment polarity genes), образуя согласо­ванную систему, которая делит эмбрион на более мелкие сегменты. На схеме показано распределение белков, которые кодируются геном even skipped (из группы pair-rules genes).

Гомеозисные гены находятся под конт­ролем генов сегментации. Эти две группы генов функционируют в различных сегмен­тах. Продукты таких генов определяют по­рядок актиаации генов в каждой клетке и тем самым стимулируют превращение кле­ток в те или иные сегменты, например сег­мент головы, груди или абдоминальный сег­мент.

Гены-регуляторы развития гены с материнским эффектом

транскрипция во время образования _у яйцеклетки

_S

ИННОЙ S

эрсальный)

mRNA

€

белок

эмбриональные гены

I DNA mRNA

Иерархическая система эмбриональных генов:

гены сегментации, гены полярности сегментов, гомеозисные гены

<3-

белок

*1Ь1И

брюшном —* J

(вентральный) отдел

передний •*- отдел

заднии

отдел

градиент

бепков продуктов распределение

белкоа-продукгов

Б. Роль генов-регуляторов развития

генов

с материнским

эффектом

генов-регуляторов

развития

Метаболические карты Пояснение

В этом разделе (сс. 395-407) приведены 13 метаболических карт, на которых в компакт­ной и схематической форме представлены основные метаболические пути. Карты не сопровождаются какими-либо дополнитель­ными пояснениями.

Метаболические карты

• содержат описание метаболических пу­тей, которые в основной части книги по причине экономии места приведены в общем виде- В особенности это касается путей биосинтеза и деградации амино­кислот и нуклеотидов, и отчасти углевод­ного и липидного обмена,

• позволяют получить полное представле­ние о конкретном метаболическом пути, образующихся промежуточных и конеч­ных соединениях, а также о ферментах, катализирующих биохимические реак­ции;

• могут служить справочным материалом, позволяющим определить место извест­ных веществ в метаболических путях.

Важнейшие промежуточные соединения на схемах пронумерованы. Соответствующие соединения можно легко идентифицировать с помощью сопутствующей таблицы.

Для каждой биохимической реакции при­водится классификационный код соответст­вующего фермента (см. с. 94). Названия и коды ферментов приведены также в систе­матизированном списке ферментов (см сс 408-418), в котором все упомянутые в тексте ферменты расположены в соответст­вии с их кодом. Для идентификации фермен­тов рекомендуется также пользоваться предметным указателем

Для реакций с участием коферментов приводятся названия коферментов (частич­но в тривиальном варианте). Для наиболее важных начальных, промежуточных и конеч­ных соединений приведены полные назва­ния или формулы

Пример

На с. 395 наверху слева приведен начальный этап темновой реакции фотосинтеза (цикл Кальвина).

Согласно этой реакции из одной молекулы рибулозо-1,5-дифосфата (метаболит 1) и одной молекулы С0₂ (метаболит 2) образу­ются две молекулы 3-фосфоглицерата (ме­таболит 3).

Код соответствующего фермента 4.1,1.39. Из списка ферментов следует, что речь идет о рибулозодифосфат-карбокси- лазе/оксигеназе (РДФКО,«рубиско» или З-фосфо-О-глицерат-карбоксилазе), ключе­вом ферменте восстановительного пентозо- фосфатного цикла ассимиляции углерода при автотрофии РДФКО принадлежит к классу 4 (лиазы) и в пределах этой группы к подклассу 4.1 (карбоксилиазы). В качестве кофактора фермент содержит медь ([Си])

6 С0₂ + 18 АТР + 12 NADPH + 12 Н

гексоза +18 ADP + 18 Р + 12 NADP

2х

рибулозо-1,5-ди© С0₂

✓*4 5

4.1.1.39

(3)

АТР

_t

2 ADP -*Т 2.7.2.3 |

АТР

© ©

NADPH U у- NADPH

Ьк 2 NADP'' -+-Т

@ 1.2.1.13 (б)

I V

6х

глицерал ьдегид-3-(р)

(Т) рибулозо-1,5-дифосфат © диоксид углерода (з) 3-фосфоглицерат (?) 1,3-дифосфоглицерат глицерапьдегид-3-фосфат © дигидроксиацетон-3-фосфат (т) фруктозо-1,6-дифосфат @ фруктозо-6-фосфат @ эритрозо-4-фосфат (10) седогептулозо-1,7-дифосфат @ седогептулозо-7-фосфат (12) ксилулозо-5-фосфат @ рибозо-5-фосфат @) рибулозо-5-фосфат @) глюкозо-6-фосфат

А. Цикл Кальаина (хлоропласты)

© © ©

14

АТР ~ ADP

©

- 5.1.3.4 -

АТР —

ADP -*

'2.7.1.19

5.3.1.6

14) (14)

АТР

у

©

ADP

2.7.1.19

©

M9J пальмитоил-СоА

У

серии (22)

UDP-Glc. UDP-Gal UDP-GlcNAc

CMP-NeuAc

(2^) сфингозин

Sk©

церамид

А Биосинтез жиров и мембранных липидов

(13

2.5.1.1

РР

JL

желчные

кислоты

(14'

2.5.1.10

Х_

U

S 2.5.1.21

холестерин

Inadp

изопреноиды

INADPH| NADP ¹

1.1.1.51

5.3.3.1

J_©.*-i Ll ©

1.14 99.9

н₂о

тесто­

стерон

(26,

л

"ароматаза*

о

гормон

© пируват

® ацетил-СоА

© ацетоацетил-СоА З-гидрокси-З- VV метилглутарил-СоА

© ацетоацетат

© ацетон

(б ) З-гидроксибутират © пальмитат (1Г) пальмитоил-СоА (э_) стеарил-СоА

▼ м

т

2[Н]О_г Н₂0

-тУ

1.14.99.10

2 [Н] 0₂ Т

<оь— 2

S Р— 2 [Н]

^н₂о

1.14.99.9

альдостерон 27) кортизол (29 -щ

, проге- (24; стерон

°2 Sr^- 2 [Н]

^^-►н₂о

"(is)

© олеил-СоА © мевалонат (12) мевалонат-5-дифосфат © изопентенилдифосфат ©) геранилдифосфат ©) фарнезилдифосфат ©) сквален ©) холестерин

©) прегненолон

(20) дегидроэпиандростерон (2?) андростендион-3,17 (22) тестостерон © эстрадиол @) прогестерон (25) 17-гцдроксипрогестерон @) 11 -дезоксикортизол ©) кортизол

©) 11 -дезоксикортикостерон

А. Биосинтез кетоновых тел и стероидов

©) 17-гидроксипрегненолон (29) альдостерон

2.3.7 16

(б свободные жирные кислоты 0 ацил-СоА

© триацилглицерин © диацил глицерин

© моноацилглицерин (?) ацил(4-12 С)-СоА

® карнитин

© ацилкарнитин

© глицерин

(F) 3-глицерофосфат

J4j 3-оксоацил-СоА ® ацетил-СоА ® пропионил-СоА ® (Б)-метилмалонил-СоА (Rj-метилмалонил-СоА

(бу дигидроксиацетон-3- ^2) 2,3-дегидроацил-СоА (те) сукцинил-СоА фосфат

6. фосфолипид 13) 3-гидроксиацил-СоА

А. Распад жиров и фосфолипидов (ферментативная деградация)

I

@

©

АТР

©*

■©

А . пируват С0₂ А

► -¹

©

АТР ftDP

I и,

2.7.2.4

аспартат

цистеин

NADPH

=п „

N>*| NADP'^

© у

1

~Г~

[СН₃]

-► метионин

1.1.1.3 2.7.1.39 S-S 4.2.99.2

у*Ч1_2) -j—(13) -j— ^ ► треонин

NADPH| [NADP5J ADP АТР ^Н2° Glu OG

L_

©

-► лизин гистипин

f PEP © f

W ^ ►(i6) ►

⁴ 1 I

:i::r <*»«

(T) пируват

(г) 2-оксобутират

(3) 2-ацето-2-

гидроксибутират

(J) 2-оксо-З-метилвалерат

© 2-ацетолактат

(б) 2-оксоизовалерат

(?) 2-оксоизокапронат

А. Биосинтез незаменимых

► **(17) ► ►(18

©

(Si)-* ^ (19

Р

Glu

OG

фенил­

аланин

(в) а-5-фосфорибозил-

1-дифосфат

© аспартат

rto'j аспартил-4-фосфат ^ (4-аспартилфосфат) (ГГ) 4-полуальдегид- аспартат QJ) гомосерин

_®

гом осе ринфосфорная

кислота

(м) фосфоенолпируват аминокислот

(is) эритрозо-4-фосфат

_©

7-фосфо-2-оксо-3-

дезокси-0-арабино-

гептулозонат

17. хоризмат

18. фенилпируват

19. антранилат

20. М-(фосфорибозил)- антранилат

© З-фосфоглицерат © 3-фосфогидроксипируват (з) 3-фосфосерин

© ГЛИЦИН (5) цистатионин © гомоцистеин © 2-оксобутират © пируват

оксалоацетат © аспартат © аспарагин © 2-оксоглутарат (OG)

© глутамат © у-глутамилфосфат © Д¹-пирролин-5-карбоксилат © N-ацетилглутамат

© М-ацетилглутамил-5-фосфат

_©

у-полуальдегид-N-

ацетилглутамат © N-ацетилорнитин

© орнитин

© аргинин

А. Биосинтез заменимых аминокислот

NHg

NADH

АТР

nh₃

ADP

у

глутамин

©

-©

пролин

it,

NADP©|

NADPH

см

глута-

мат

2.7.2.11

ri

АТР ADP

5-U

SL

NADP&I

NADPH

> (14)

©

цикл

моче­

вины

. ацетил- СоА

► СоА

аргинин

АТР

ADP

17

т

j.zraat

©

t

►ацетат

[nadph[ [nadp®]

СоА

6.4.1.3

Г

2[Н]

3.5.1.2

(fa) 2-оксоизовалерат (5) 3-гидроксиизобутират @ ацетоацетат

© 2-оксо-З-метилвалерат (б) полуальдегид метилмалоната @ ацетил-СоА

7. (5)-метилмалонил-СоА

(в) (Р)-метилмалонил СоА © сукцинил-СоА

2-метил-З-гидроксибутирил- ^ ^СоА

11. 2-метилацетоацетил-СоА @ пропионил-СоА @ 3-метилглутаконил-СоА

@ 3-гидроксиизобутирил- ® З-гидрокси-З-метилглутарил- СоА СоА

А. Деградация аминокислот (карта I)

(Тс) 2-оксоизокапронат (2а) изобутирил-СоА

@ 2-метилбутирил-СоА (2с) изовалерил-СоА (За) метилакрил ил-СоА @ тиглил-СоА

@ 3-метилкротонил-СоА

@ пируват

(Те) ацетальдегид

(19) уроканат

@ имидазолон- 5-пропионат

_@

М-формимино-

глутамат

@ 2-оксоглутарат

метионин аспарагин

АТР

неферментативная

1

пиру- _ реакция ^ ват ■* ^ ®

©

уК+-[СНз]

тк^.аде- ^ нозин

gj|,— серии

н₂0

©

^ L ^Н2°

;L*. nh₃

▼ цистеин

2.6.1.3 ^ 1.13.11.20 цис-

“у 1— теин

8 стадий

трипто­

фан

лизин

глутамат

неферментативная

NADH

NAD©

6?) Ч 5—тир°--i¹A¹s \ Ф^енил‘

X | зин X | аланин

Glu OG

н₂о о₂

ТНВ

■ Н,0

I ILil ribl 1ил L

ЛРОЛИН Р^е^^кция »(^)«, (20)^-

2[Н]

Н,0

1 г

Glu OG

3.5.3.1 арги-

'j нин

моче- н₂0 вина

© S-аденозилметионин ® оксалоацетат

© гомоцистеин © цистеинсульфинат

© цистатионин © 2-оксобутират © пропионил-СоА © сукцинил-СоА © фумарат

А. Де радация аминокислот (карта II)

@ 4-малеилацетоацетат @ 4-фумарилацетоацетат

© 3-сульфинилпируват (17) ацетоацетат

© 2-оксоадипат @ кротонил-СоА

@ 4-гидроксифенилпируват@) орнитин

@ гомогентизинат (21) 2-оксоглутарат (OG)

_®

5-полуальдегид глутамата

(19) Д¹-пирролин-5-

карбоксилат

DNA

GTP

RNA

dGTP

DNA

А. Биосинтез пуриновых нуклетидов

1 5.1.20

гомоцистеин

N5 м¹⁰-метенил- N⁵,N¹⁰ метилен-

НоО

THF

THF

|\|⁵-метил-

THF

М¹⁰-формил-ТНР

^ 2.1.2.2, 2.1.2.3

ГЛИЦИН -

н₂о-

серии -

пурины (С-2, С-8) Б. Перенос С₁-фрагментов

jNADpSj [NADPH

дигидро- фолат

аминоизобутират

(5) 2-аминоизобутират

2-метил-З-оксо- пропионат

дигидроурацил

Jb

13. Включают в окисляемый субстрвт (донор электронов) молекулярный кислород (оксигеназы)

11. Включают два атома кислорода (диоксигенаэы)

5. Гомогентизат — 1,2-диоксигеназа [Fe]

20. Цистеин-диоксигеназа [Fe]

1.13.11.27 4-Гидроксифенилпируват-диоксигеназа [аскорбат]

1 13.1 In Арахидонат-липоксигеназа

13. Включают в два окисляемых субстрата (доноры электронов) один атом кислорода (монооксигеназы, гидроксилазы)

11. 2 Проколлагенпролин — 4-диоксигеназа [Fe, аскорбат] — «пролингидроксила-

за»

4. Проколлагенлизин — 5-диоксигеназа [Fe, аскорбат] — «лизингидроксилаза»

1 14.13.13 Кальцидиол — 1-монооксигеназа [гем]

1 14.15.4 Стероид — 11 р-монооксигеназа [гем]

14. 15.6 Холестерин — монооксигеназа (расщепляющая боковые цепи) [гем]

16. 1 Фенилаланин — 4-монооксигеназа [Fe.THB]

14. 16 2 Тирозин — 3-монооксигеназа [Fe.THB]

1. Дофамин — р-монооксигеназа [Си]

1. Простагландин Н-синтаза [гем]

   14. 99 3 Гем-оксигеназа (дециклизующая) [гем]

1. 14.99.5 Стеарил-СоА-десатураза [гем]

1.14.99.9 Стероид — 17а-монооксигеназа [гем]

99. 10 Стероид — 21-монооксигеназа [гем]

14. Акцептором служит супероксид-радикал

1. Супероксид-дисмутаза

   17. Донором служит -СН₂-группа

17. 4 1 Рибонуклеозиддифосфат-редуктаза [Fe] — «рибонуклеотид-редуктаза»

18. Донором служит восстановленный ферредоксин

2. Ферредоксин - NADP* - редуктаза [FAD]

17. 6.1 Нитрогеназа [Fe, Mo, Fe4S<]

Класс 2: Трансферазы (катализируют перенос группы с одной молекулы на другую)

Подкласс 2.п: Зависит от переносимой группы

1. Переносят С, -фрагменты

1. Метилтрансферазы

1. 1 6 Катехол — О-метилтрансфераза

2. 1 1.13 5-Метилтетрагидрофолатгомоцистеин — S-метилтрансфераза

2. 1 1.28 Фенилэтаноламин — N-метилтрансфераза

2. 11.45 Тимидилат-синтаза

67. Тиопурин-метилтрансфераза

2. Трансферазы формильных групп

2. 12 1 Глицин-гидроксиметилтрансфераза [PLP]

2. 2 фосфорибозилглицинамид-формилтрансфераза

2. 12 3 Фосфорибозиламиноимидазолкарбоксамид-формилтрансфераза

2. 1 2 5 Глутамат-формиминотрансфераза [PLP]

2. 1 2 10 Аминометилтрансфераза

2.1.3 Карбамоилтрвнсферазы

2. Аспартат-карбамоилтрансфераза [Zn²⁺]

3. Орнитин-карбамоилтрансфераза

2. Переносят альдегидные и кетонные группы

1. Транскетолаза [ТРР]

2. Трансальдолаза

   3. Ацилтрансферазы

      1. Донором служит ацил-СоА

         1. N-Ацилтрансфераза аминокислот

6. Холин-О-ацетилтрансфераза

12. Дигидролипоамид-ацетилтрансфераза [липоамид]

15. 3 -Гл ицерофосфат-О-аци лтрансфераза

16. Ацетил-СоА-ацилтрансфераза

20. Диацетилглицерол-О-ацилтрансфераза

21. Карнитин-О-пальмитилтрансфераза

22. Ацилглицерол-О-пальмитилтрансфераза

24. Сфингозин-М-ацилтрансфераза

37. 5-Аминолевулинат-синтаза [PLP]

38. [АСР]-5-Ацетилтрансфераза

39. [ACPl-S-Малонилтрансфераза

41. 3-Оксоацил-[АСР]-синтаза

42. Дигидроксиацетонфосфат-О-ацилтрансфераза

43. Фосфатидилхолин-стерин-ацилтрансфераза — «лецитин-холестерин-аце- тил-трансфераза, LCAT»

2.3.1.51 Ацилглицерин-З-фосфат-О-ацилтрансфераза

2.3.1.61 Дигидролипоамид-сукцинилтрансфераза

2.3.1.85 Синтаза жирных кислот

2. Аминоацилтрансферазы

12. Пептидилтрансфераза

13. Протеин-глутамин-у-глутамилтрансфераза — «фибринстабилизирующий фактор»

3. Гликозилтрансферазы

   1. Переносят остаток гексозы

      1. Фосфорилаза [PLP] — -гликоген (крахмал)-фосфорилаза»

11. Гликоген (крахмал)-синтаза

17. Глкжуронозилтрансфераза

18. 1,4-а-Глюканветвящий фермент

25. 4-а-Глюканотрансфераза

2.4.1.47 N-Ацилсфингозин-галактозилтрансфераза

2.4.1.119 Протеин — гликотрансфераза

2. Переносят остатки пентозы

7. Аденин-фосфорибозилтрансфераза

8. Г ипоксантин-фосфорибозилтрансфераза

10. Оротат-фосфорибозилтрансфераза

14. Амидофосфорибозилтрансфераза

3. Переносят алкильные или ерильные группы

1. Диметилаллилтрансфераза

6. Метионин-аденозилтрансфераза

Переносят дифосфатные остатки

Рибозофосфат-пирофосфокиназа

Список ферментов, упоминаемых в книге

3.1.21

3.1.21.1

3.1.21.4

3.1.26-27

3.1.26.4

3.1.26.5

3.2

3.2.1

1. 3.2.1.10

3.4.17

3.4.17.1

1. 3 4.17.8

3.4.21.34

Гидролизует ДНК

Дезоксирибонуклеаза I

Специфическая дезоксирибонуклеаза (тип II) — «эндонуклеаза рестрикции», «рестриктаза»

Гидролизуют РНК

Рибонукпеаза Н Панкреатическая рибонукпеаза

Гидролизуют гликозидные связи [гликозидазы)

Гидролизуют О-гликозиды

а-Амилаза

Олиго-1,6-глюкозидаза

Лизоцим

Нейраминидаза

а-Глюкозидаза

Р-Галактозидаза

а-Маннозидаза

а,а-Трегалаза

Амило-1,6-глюкозидаза

Сахарозо-а-глюкозидаза — «сахараза

P-N-Ацетилгексозаминидаза

Нукпеотидазы

Гидролизуют простые эфирные связи

Аденозилгомоцистеиназа

Гидролизуют пептидные связи (пептидазы)

Аминопептидазы (N-концевые экзопептидазы)

Различные аминопептидазы [Zn²⁺]

Дипептидазы (действуют только на дипептиды)

Различные дипептидазы [Zn²⁺]

Пептидилдипептидазы (С-концевые экзопептидазы, освобождающие дипептид)

Пептидилдипептидаза A [Zn²⁺] — «ангиотензинконвертирующий фермент (АСЕ)»

Карбоксипептидазы (С-концевые экзопептидазы Карбоксипептидаза A [Zn²⁺]

Карбоксипептидаза В [Zn²⁺]

Мурамоилпентапептид-карбоксипептидаза

Сериновые протеиназа (эндопептидазы)

Химотрипсин

Трипсин

Тромбин

Фактор свертывания крови Ха — «фактор Стюарта-Проуэра»

Плазмин

Энтеропептидаза «энтерокиназа»

Фактор свертывания крови Vila — «проконвертин»

Фактор свертывания крови IXa — «фактор Кристмаса»

Фактор свертывания крови Xla — «предшественник плазменного тромбопластина»

Плазменный калликреин

4. 21.35 Тканевый калликреин

36. Эластаза

3.4.21.38 Фактор свертывания крови ХНа — «фактор Хагемана»

43. СЗ/С5-конвертаза (классического пути)

4. 21.47 СЗ/С5-конвертаза (альтернативного пути)

3.4.21.68 Активатор плазминогена (тканевой) — «t-РА»

3.4.21.73 Активатор плазминогена (из мочи) — «урокиназа»

22. Цистеиновые протеинвзы (эндопептидазы)

2. Папаин

22. Аспартатные протеиназы (эндопептидазы)

4. 23 1 Пепсин А

2. Пепсин В

3. Гастриксин

4. Химозин

2. 4 23 15 Ренин

22. Металлопротеинвзы (эндопептидазы)

7. Коллагеназа

99. Другие пептидазы

36. Сигнальная пептидаза

3.5. Гидролизуют другие амидные связи (амидазы)

1. Аспарагиназа

2. Глутаминаза

16. Ацетилорнитиндеацетилаза [Zn²⁺]

2. 5 2.3 Дигидрооротаза

7. Имидазолонпропионаза

1. Аргиназа

6. АМР-дезаминаза

2. 5 4 9 Метилентетрагидрофолат-циклогидролаза

10. IMP-циклогидролаза

6. Гидролизуют ангидридные связи

6. Нуклеозид-дифосфатаза

3.6.1.32 Миозин-АТР-аза

34. Н⁺-транспортирующая АТР-синтаза — «АТР синтаза, комплекс V»

35. Н⁺-транспортирующая АТР-аза

36. Н⁺/К⁺- обменивающая АТР-аза

37. Na⁺/K⁺- обменивающая АТР-аза — «№⁺/К⁺-АТР-аза»

38. Са² транспортирующая АТР аза

6. Гидролизуют связи С-С

2. Фумарилацетоацетаза

Класс 4: Лиазы (расщепляют или завязывают связи без участия окисления или гидролиза)

Подклассы 4.п: зависят от природы образуемой или расщепляемой связи

1. Образуют или расщепляют связи С—С

1. Карбокси-лиазы (карбоксилазы, декарбоксилазы)

1. Пируватдекарбоксилаза [ТРР]

15. Глутаматдекарбоксилаза [PLP]