Путь биосинтеза

Значительный интерес вызвало открытие синтеза белковых и по­липептидных гормонов в виде более крупных предшественников, которые затем путем расщепления модифицируются в более мел­кие (рис. 3—4) [4]. На самом деле белковые и полипептидные гормоны составляют только один из многих классов белков, син­тезируемых как предшественники. В качестве примеров белков. различных классов могут служить сывороточный альбумин, про­теины яичного белка, антитела, коллаген, ферменты поджелудоч­ной железы, вирусные и связанные с мембранами белки. Усилия исследователей в настоящее время сфокусированы на выяснении физиологической роли биосинтетических предшественников на пути образования гормонов, а также общего значения предшест­венников секретируемых белков.

Одна из вероятных функций последовательности предшествен­ников видна на примере инсулина. С-пептид проинсулина — со­единительный пептид, связывающий А- и В-цепи инсулина — принимает участие, по-видимому, в правильной сборке цепей, создавая возможность эффективного образования дисульфидных свя­зей. Такая стабилизирующая функция должна иметь место толь­ко применительно к ограниченному числу секретируемых белков, таких, как инсулин, поскольку многие белки существуют в виде одиночных полипептидных цепей, лишенных дисульфидных мостиков.

Рис. 3—4. Неполный перечень пребелков различных структурных классов.

Стрелками показаны участки расщеплений, в результате чего предшественники прев­ращаются в промежуточные или окончательные продукты. Не все предшественники для превращения в промежуточные формы пробелков проходят через стадию рас­щепления (Habener, Potts [4]).

В настоящее время складываются представления в пользу вероятной роли предшественников в посттрансляционных процес­сах, обусловливающих внутриклеточный транспорт и компартментализацию гормонов по ходу секреторного пути [5, 6]. Эта гипотеза, известная под названием сигнальной, предложена Mistein и сотр. [5], а также Blobel и Sabatini [6] для объясневия молекулярного механизма, с помощью которого белки, пред­назначенные для секреции из клетки, избирательно получают до­ступ к окруженным мембранами субклеточным органеллам, участ­вующими в их транспорте, упаковке и секреции.

На основании модели, приведенной на рис. 3—5, можно объ­яснить путь биосинтеза паратиреоидного гормона как представи­теля полипептидных гормонов с учетом положений сигнальной гипотезы. Этот путь включает последовательное расщепление биосинтетических предшественников: препропаратиреоидный гор­мон (пре-про-ПТГ) пропаратиреоидный паратиреоидный гормон. Инициация синтеза белка происходит на полирибосомах в мат­риксе клетки. Инициальная аминокислота (аминокислоты) — ме­тионин, кодируемая специфическим кодоном АУГ, отделяется от растущей полипептидной цепи, когда она достигает в длину при­мерно 20—30 аминокислот (примерная длина полипептида, по­крывающая протяженность крупной рибосомальной субъединицы). Этот процесс считается общим для синтеза всех белков, продуци­руемых эукариотами.

Рис. 3—5. Схематическое изображение пути биосинтеза паратиреоидного гормона.

КОПаза—карбоксипептидаза В (Habener, Potts [4]),

Гидрофобная специфическая для прегормона последователь­ность пре-про-ПТГ, кодируемая последовательностью оснований мРНК, непосредственно прилегающей (3 -конец) к инициальному кодону АУГ (сигнальные кодоны), выступает затем в роли «во­дителя» или сигнала, который каким-то, до сих пор не выяснен­ным, образом обеспечивает контакт комплекса полирибосома — синтезируемая цепь с мембраной эндоплазматического ретикулу­ма. Контактируя с этой мембраной либо за счет чисто гидрофоб­ных взаимодействий, либо, что вероятнее, за счет специфических рецепторов мембраны, растущая полипептидная цепь проходит через мембрану во внутрицистернальное пространство. Сразу же после этого или, вероятно, еще в процессе прохождения пре-про-ПТГ в цистерну сигнальная последовательность отщепляется, по-видимому, под действием специфической пептидазы, локализо­ванный в эндоплазматическом ретикулуме, что приводит к обра­зованию про-ПТГ. Этот промежуточный предшественник (про-ПТГ) движется затем по каналам, образованным мембранами эн­доплазматического ретикулума, в пластинчатый комплекс, где от него под сочетанным действием ферментов, обладающих актив­ностью, сходной с активностью трипсина и карбоксипептидазы В, отщепляется МНа-концевой гексапептид. Окончательный гормо­нальный продукт включается в секреторные гранулы и высво­бождается во внеклеточное пространство в ответ на снижение концентрации кальция во внеклеточной жидкости.

Правильность этой модели подтверждается многими данными» [7—11]. При структурном анализе первичных продуктов транс­ляции некоторых мРНК, кодирующих различные секретируемые белки, было обнаружено, что многие, если не все, белковые гор­моны и секретируемые белки синтезируются вначале в виде пред­шественников с гидрофобными N1-12-концевыми участками (см. рис. 3—4). По-видимому, препропаратиреоидный гормон [12] явля­ется типичным представителем целого класса биосинтетических предшественников (пребелков) белковых гормонов, к которым от­носятся инсулин, СТГ, пролактин, ТТГ и АКТГ, а также негор­мональных секретируемых белков, таких, как ферменты поджелу­дочной железы, протеины яичного белка, иммуноглобулины, сы­вороточный альбумин, «мелиттин» (или меллитин — пчелиный яд) и некоторые ассоциированные с мембраной бактериальные белки. Характерным для сигнальных последовательностей пред­шественников является то, что они расположены на NH₂-концевой части белков. Эти последовательности различаются по длине, включая от 15 до 25 аминокислотных остатков; в центральных их частях содержится гидрофобный участок, состоящий из 10— 12 аминокислот. Столь высокая степень гидрофобности характер­на для белков, известных своим специфическим взаимодействием с мембранами.

Приведенные данные позволяют считать, что обеспечение воз­можности движения через мембрану — основная функция сигналь­ной последовательности. Таким образом, благодаря специфическо­му характеру последовательности предшественника из множества клеточных белков отбираются, отделяются, транспортируются и поступают на секреторный конвейер клетки белки, предназначен­ные для секреции.

Если в отношении прегормонов или препрогормонов сущест­вуют веские доказательства их транспортной функции, то функ­ция промежуточных предшественников—прогормонов—остается неизвестной. Радиоавтографические исследования миграции вновь синтезированных белков в клетке показали, что превращение прогормона в конечные продукты происходит в пластинчатом комп­лексе клетки. Например, период в 15 мин между началом сип-теза пре-про-ПТГ и первым появлением ПТГ практически совпа­дает со сроком, необходимым для попадания радиоавтографических гранул в пластинчатый комплекс [13]. Превращение прогормона в гормон может быть также избирательно заблокировано действи­ем на ткани ингибиторов продукции энергии в клетке (антимицин А и динитрофенол), равно как и веществами, нарушающими функцию микротрубочек (винбластин и колхицин). Эти данные указывают на то, что транслокация прогормона из ШЭР в плас­тинчатый комплекс является энергозависимым процессом, и что в движении прогормона могут принимать участие микротрубочки. Однако отсутствуют прямые доказательства того, что прогормон сам по себе, или его химические взаимодействия, играет су­щественную роль в транспорте вновь синтезированного белка из ШЭР в пластинчатый комплекс или что он в какой-либо мере определяет упаковку гормона в пузырьки или гранулы. Недавно проведенные исследования, согласно которым синтез многих сек­ретируемых белков не требует образования промежуточных, или проформ предшественников (см. рис. 3—4), порождают определенные сомнения в справедливости такого представления [4]. Непо­нятно, почему некоторые секретируемые белки, например паратиреоидный гормон, инсулин и сывороточный альбумин, образу­ются с помощью промежуточных предшественников, тогда как другие, например СТГ, пролактин и овальбумин, не проходят через эту стадию.

Если значение прогормона для клеточного транспорта не известно, то некоторые детали его расщепления уже изучены. В от­личие от того, что наблюдается в отношении прегормонов, в ко­торых аминокислотные остатки по месту отщепления сигнальной последовательности от остальной части молекулы (гормона или прогормона) в разных прегормонах неодинаковы (см. рис. 3—4 и 3—5), места расщепления пробелковых интермедиатов посто­янно содержат основные аминокислоты лизин или аргинин (или и ту и другую), обычно по 2—3 вместе (см. рис. 3—4). Этот суб­страт легко и предпочтительно атакуется эндопептидазами, обла­дающими трипсиноподобной активностью. После эндопептидазного расщепления оставшиеся основные аминокислоты подвергают­ся избирательному отщеплению под действием экзопептидаз с активностью, подобной активности карбоксипептидазы В.

Вполне вероятно, что все пробелки расщепляются в ходе об­щего ферментативного процесса внутри пластинчатого комплекса клеток различного происхождения. Однако роль этого общего про­цесса расщепления прогормонов, находящихся на секреторном конвейере, остается неизвестной, как и значение самого сущест­вования пробелковых интермедиатов некоторых, но не всех, сек­ретируемых белков. Дальнейшее ферментативное расщепление пептида-предшественника, отделившегося от пропаратиреоидного гормона, может представлять собой один из этапов клеточной де­градации этого пептида, или, что более вероятно, трипсиноподобная и карбоксипептидазо-В-подобная активности могут быть не­разделимыми свойствами единого ферментного комплекса. Не ис­ключено также, что части пептидов-предшественников, отщепляемые от пробелка, могут обладать пока не установленной собственной и самостоятельной биологической активностью, а их дальнейшее расщепление необходимо для проявления этой актив­ности. Такая ситуация, вероятно, складывается в процессе обра­зования АКТГ,-липотропина и эндорфинов (опиатоподобные пептиды), которые одновременно появляются в результате рас­щепления общего крупного белкового предшественника [14].

Рис. 3—6, Особенности секреции различных белковых гормонов. Секреция в ответ на специфиче­ские внешние стимулы (а, б); циркадный ритм секреции (в, г); «спонтанная» секреция, предпо­ложительно возникающая под влиянием ЦНС (д, е) (в— Jubiz W. и соавт., J. Cim. Invest.» 1972, 51, 2040; r—Gallager T.F. и соавт., J. din. EndocrinoL Metab., 1973, 36, 1058; д— Yen S.S. С. и соавт., J. din. EndocrinoL Metab., 1972, 34, 671; е — Finkelstein J.W. и соавт., J. Clin. EndocrinoL Metab., 1972, 35, 665).