Регуляція активності ферменту.

Активність Na⁺/K⁺-АТФази регулюється багатьма факторами. На першому місці стоїть співвідношення Na⁺/K⁺ в клітині і доступність АТФ – це фактори так званої короткотривалої регуляції активності. Вміст АТФ в клітині, як правило, мало змінюється в нормальних умовах, хоча може різко знижуватись при патологічних порушеннях. В такому випадку зниження рівня АТФ буде критичним для підтримання достатньої активності Na⁺/K⁺-помпи. Співвідношення Na⁺/K⁺ в клітині залежить від багатьох факторів і, в свою чергу, являється фактором, який регулює функціонування Na⁺/K⁺-АТФази [28].

Внутрішньоклітинні месенджери також можуть впливати на Na⁺/K⁺-АТФазу. Залежно від тканин, активація протеїнкінази може викликати збільшення або зниження активності Na⁺/K⁺-помпа. Агенти, що підвищують клітинний циклічний аденозинмонофосфат, а також екзогенні похідні цАМФ призводять до гальмування Na⁺/K⁺-АТФази в мозковій товстій висхідній гілці петлі Генле і кіркового каналу збору і стимуляції Na⁺/K⁺-АТФази в проксимальних канальцях. Фосфорилювання α-субодиниці Na⁺/K⁺-помпа зворотнє, про що свідчить зниження активності Na⁺/K⁺-АТФази після активації допамін- та цАМФ-регуляторів фосфопротеїнів (DARPP-32), ендогенного інгібітора білка фосфатази 1 (РР1). Це показує, що процес фосфорилювання/дефосфорилювання може динамічно регулювати активність Na⁺/K⁺-АТФази. Крім того, в проксимальному нефроні і в культурі клітин нирки собаки, Na⁺/K⁺-помпа інгібується форболовим ефіром або аналогами диацилгліцерину, в процесі, який включає в себе активацію протеїнкінази С (РКС) і, можливо, фосфорилювання α-субодиниці Na⁺/K⁺-АТФази в Ser16. Крім того, встановлено декілька інших механізмів, які пов’язані з впливом протеїнкінази на діяльність Na⁺/K⁺-АТФази. Наприклад, в клітині нефрона амфібій, PKC інгібує Na⁺/K⁺-помпу за рахунок збільшення ендоцитозу клітин та інтерналізації молекул Na⁺/K⁺-АТФази, а в окремих сегментах нефрона PKA може стимулювати фосфоліпазу А2 (PLA2), виробництво арахідонової кислоти і його метаболітів.

Активація протеїнкінази С призводить до гальмування всіх ізоферментів, активація PKA стимулює активність Na⁺/K⁺-АТФази α3/β1 і пригнічує її у α1/β1- і α2/β1-ізоферменту. Активація PKG зменшує активність α1/β1- і α3/β1- та не змінює у α2/β1-ізоферменту. Регулювання активності ізоферментів Na⁺/K⁺-АТФази викликане PKA, PKC і не залежить від змін у швидкості синтезу або деградації поліпептидів Na⁺/K⁺-помпи, а скоріше в результаті зміни молекулярної активності Na⁺/K⁺-АТФази [31].

Цікаву проблему представляє інгібування Na⁺/K⁺-ATФази серця уабаїном та іншими серцевими глікозидами. Механізм дії уабаїну і споріднених йому алкалоїдів рослинного походження на організм людини і тварин був довгий час неясним, хоча їх тривале застосування в медицині як кардіотонічних препаратів виправдовувало присвоєння їм назви серцевих глікозидів. Ізоформа Na⁺/K⁺-АТФази, що виявляють у клітинах серця, набагато більш чутлива до уабаїну, ніж, наприклад, ізоформа ферменту, що виявляють у ниркової тканини.

Інгібування Na⁺/K⁺-АТФази серцевого м'яза призводить до посилення серцевих скорочень, тобто до позитивного інотропного ефекту. Більш того, часткове інгібування Na⁺/K⁺-помпи серця викликає посилення синтетичних процесів у міокарді і збільшення м'язової маси, що важливо для збільшення ефективності роботи серцевого м'яза [33]. Чому ж Na⁺/K⁺-АТФази серця тварин має виборчої чутливістю до з'єднань, що є типовими представниками рослинного світу?

Було природно припустити, що дія уабаїну імітує ефект природних сполук, що виробляються твариною організмом і циркулюючих в кров'яному руслі. Дійсно, сироватка крові людини володіє вираженою здатністю інгібувати Na⁺/K^+-АТФазу. Інгібуючий ефект сироватки підвищується у пацієнтів з порушеннями водно-сольового обміну, що спостерігається при гіпертонії. Дослідження показали, що стероїдні сполуки, подібні уабаїну, виробляються і служать для регуляції активності Na⁺/K⁺-АТФази в організмі людини і тварин. В даний час виявлено також пептидні інгібітори Na⁺/K⁺-помпи, біологічні ефекти яких спрямовані на регуляцію активності цього ферменту в серці, нирках та інших тканинах. Наявність множинних шляхів регуляції підтверджує важливість Na⁺/K⁺-АТФази для метаболізму клітини [27].

1.2.5. Зміни активності Na⁺/K⁺-АТФази зародків протягом ембріогезу.

Зміни іонного гомеостазу запускають метаболічні процеси в ядрі і цитоплазмі зигот та зародків. Електрофізіологічні дослідження свідчать про схожість плазматичних мембран ооцитів і диференційованих клітин, що пояснюється наявністю в них подібних структур і властивостей [11].

Експерименти з додаванням уабаїну в зародках тритона та в’юна встановили, що Na⁺/K⁺-АТФаза здійснює певний внесок у гіперполяризацію мембрани під час дроблення. У фізіологічних умовах рівень потенціалу змінюється від –20 до –60 мВ, а при додаванні уабаїну відбувається деполяризація мембрани, величина якої залежить від стадії розвитку [25].

Na⁺/K⁺-АТФазна активність мембран та катіонна провідність низькі у незаплідненій яйцеклітині та в зрілого ооцита, що узгоджується з низькою біосинтетичною активністю. Не випадкове і синхронне зростання мембранозв’язаних процесів після запліднення, як і короткочасне зниження рівня ТМП та активності уабаїнчутливої ATФази після завершення формування морули. Оскільки ця стадія характеризується низьким мітотичним індексом та морфогенетичною активністю ядер, підвищеними коефіцієнтами асинхронності і електричного зв’язку, то до цього моменту розвиток зародків здійснюється за рахунок генетичної інформації, яка нагромаджується протягом оогенезу в материнському організмі. У кінці періоду синхронних поділів бластомерів активуються макромолекулярні синтези, особливо масивний синтез нових мРНК, що вимагає значних енерговитрат і призводить до перерозподілу макроергів [3].

Встановлено, що активність Na⁺/K⁺-помпи змінюється періодично протягом циклу: вона максимальна в інтерфазі, та мінімальна під час мітозу [25]. Вивчення роботи Nа⁺/К⁺-АТФази на зародках морських їжаків показало, що активність цього мембранного ферменту для незаплідненої яйцеклітини та при заплідненні залишаються на одному рівні, а швидке збільшення активності Nа⁺/К⁺-АТФази відбувається від стадії бластули до стадії ранньої гаструли. Проте активність уабаїнчутливої ATФази залишається незмінною до стадії вилуплення. Подібні зміни Nа⁺/К⁺-АТФазної активності до стадії ранньої гаструли описано і для іншого виду морського їжака Hemicentrotus pulcherrimus [12].

Протягом раннього ембріогенезу зародків морського їжака S. purpuratus експериментально показано, що в порівнянні між загальною Nа⁺/К⁺-АТФазною активністю і активністю in vivo в середньому лише 51% загальної Nа⁺/К⁺-АТФазної активності є фізіологічно активною. Це виявлено при додаванні в середовище монензину, який викликає вхід Na⁺ у клітину й in vivo активує Nа⁺/К⁺-АТФазу, внаслідок чого відновлюються іонні градієнти. У зародків морського їжака додавання в середовище інкубації монензину in vivo стимулювало Nа⁺/К⁺-АТФазу, активність якої досягала максимуму. Різниця між загальною та in vivo Nа⁺/К⁺-АТФазною активністю представляє фізіологічно активний резерв ферменту в зародках [20].

1.3 Кінетика ферментативної реакції Na⁺/K⁺-АТФази

Специфічним механізмом розпізнавання іонів калію і натрію має Na⁺/K⁺-АТФаза. Вперше цей фермент був виявлений Йенсом Християном Скоу в 1957 році. За кілька років до цього (у 1953 році) Г. Шатцман описав ефект групи сполук, які називаються серцевими глікозидами, що полягає в придушенні АТФ-залежного переносу іонів натрію і калію через мембрану еритроцитів. Автор показав, що в результаті витримування клітин в середовищі з цими сполуками різниця в концентрації відповідних одновалентних катіонів по обидві сторони мембрани зменшується. Він припустив, що це відбувається внаслідок придушення активного транспорту катіонів, який у присутності глікозидів переставав компенсувати їх пасивний витік. Найбільш ефективним представником цієї групи глікозидів був строфантин G (уабаін) [35].

Й. Скоу вирішив виявити ту ферментну систему, яка забезпечує активний транспорт іонів Na⁺ та K⁺ через клітинну мембрану. Вона повинна була, на його думку, задовольняти таким умовам: здійснювати гідроліз АТФ, використовуючи цей процес як джерело енергії для перенесення іонів Na⁺ та K⁺ проти їх концентраційних градієнтів; активуватися переносяться нею іонами; інгібувати уабаїном. Для досліджень Скоу вибрав аксони краба: в нервових клітинах активний транспорт іонів яскраво виражений. Дійсно, виявилося, що гомогенат нервових клітин гідролізують АТФ і спільне присутність іонів натрію і калію активує цей процес, а уабаїн пригнічує його. З'ясувалося, що активність ферменту регулюється одновалентними катіонами - зміна співвідношення Na⁺/K⁺ в реакційній середовищі специфічно змінює активність ферменту. Оптимум активності припадає на 130 мМ Na⁺ та 20 мМ K⁺ при їх сумі 150 мМ, типової для нервових клітин.

Проте в клітині співвідношення концентрацій іонів натрію і калію протилежне тому, яке необхідне для максимальної активності Na⁺/K⁺-АТФази. У цих умовах вона становить лише 10-12%. Проте варто трохи пошкодити клітинну мембрану або іншим способом активувати вхід в клітку натрію і вихід з неї калію, як відбудеться активація АТФази та її робота буде відновлювати іонну асиметрію. Таким чином, Na⁺/K⁺-ATФаза працює в клітці як молекулярна машина з перекачування іонів натрію і калію, тому її також називають Na⁺/K⁺-помпою. Гідролізуючи АТФ, щоб забезпечити енергією активний транспорт іонів, Na⁺/K⁺-ATФаза здійснює складну багатостадійну реакцію, в якій беруть участь іони натрію, калію і магнію, а також АТФ. Фермент має лабільну структуру. Він легко змінює свою конформацію (так називають взаємне розташування та упаковку окремих частин молекули білка в просторі) залежно від того, який іон до нього приєднується.

Починається гідролітичні цикл з взаємодії білка з іонами натрію. "Натрієва" конформація ферменту (або Na-конформери) позначається як Е₁. Конформація, що володіє високою спорідненістю до калію, позначається як Е₂ (К-конформери). Перехід від К⁺- до Na⁺-конформації (Е₂-Е₁) зумовлено приєднанням натрію (витісненням калію), що й прискорює гідроліз АТФ.

Вже в перших експериментах було показано, що в присутності натрію фермент легко взаємодіє з АТФ, в результаті чого термінальний фосфат АТФ переноситься на карбокси аспарагінової кислоти білкового ланцюга, утворюючи фосфорильованний фермент (скорочено Е-Р), де Е позначає молекулу білка-ферменту, а Р - фосфорний залишок. Було показано, що гідроліз зв'язку з цим (дефосфорилювання ферменту) активується калієм, і перша схема гідролізу АТФ, що каталізується Na⁺/K⁺-ATФазою (P_i - неорганічний фосфат):

E₁ + АТФ → АДФ + E₁-P → E₂-P → E₂ + P_i [32].

При аналізі кривих доза-відповідь стосовно Na⁺, K⁺, АТФ і інгібітора уабаїну, були визначені ферментативні властивості різних ізоферментів Na⁺/K⁺-АТФази [43]. Показано, що спорідненість до Na⁺ міняється залежно від рангу системи α2/β2> α2/β1> α1/β1 = α3/β2> α3/β1. Крім того, спорідненість до K⁺ відрізняється серед ізоферментів, слідуючи послідовності α1/β1> α2/β1 = α2/β2> α3/β1 = α3/β2. При активації молекулою АТФ ферменту, що складається з α2- і α3-ізоформ значення K_m приблизно в чотири рази нижчі, ніж у α1/β1. В основному, ці результати показують те, що основні кінетичні труднощі виникають між Na⁺/K⁺-АТФазами, які відрізняються за α-субодиничним складом. Такі властивості було проспостережено у пацюків, з експресованими α1-, α2- і α3-ізоформами в клітинах HeLa [31].

Дата добавления: 2015-07-17