Л. Х. Гордон доктор биологических наук, профессор

ной цепи, что также является необходимым условием эф-
фективной работы любой сигнальной системы. Необходи-
мо заметить, что прерывание сигнальных цепей достигается 
и с помощью других механизмов, о которых будет упоми-
наться в следующих главах.
Описанная картина участия гетеротримерных комплексов 
G-
белков в передаче сигнального импульса была основатель-
но изучена у животных объектов и давно вошла в учебники 
[Lehninger et al., 
1993]. В растениях эти комплексы G-белков 
также функционируют [Hooley, 1998; Bischoff et al., 1999], 
причем обнаружены все компоненты гетеротримерного ком-
плекса G-белков. Клонированы и охарактеризованы гены а-
субъединиц [Iwasaki et al., 1997; Aharon et al., 1998; Kaydamov et 
al., 2000; Perroud et al., 2
000], принимающих участие не только 
в активации первых ферментов сигнальных систем 
[Chapman et al., 1998; Machady et al., 1998; Roos et al., 
1999], но 
и кальциевых каналов [Aharon et al., 1998]. Обнаружено, что 
ос-субъединица прикреплена к плазмалемме и эндоплазмати-
ческой сети, но не к мембранам ядра или хлоропластов [Weiss 
et al., 
1997]. Клонирован и охарактеризован также ген |3-субъ-
единицы [Kaydamov et al., 2000]. Подавление функционирова-
ния гетеротримерного комплекса приводило к нарушениям 
морфологических признаков у растений риса, в том числе к 
появлению карликовых форм [Fujisawa et al., 1999].
Помимо "классических" гетеротримерных форм G-бел-
ков у растений обнаружены также "сверхкрупные" G-белки 
[Lee, Assmann, 
1999] и малые G-белки (small G-proteins) 
[Mulligan et al., 1997; Palme et al., 1997; Ichinose et al., 1999; 
Valster et al., 
2000], гомологичные открытым ранее у живот-
ных. Недавно проведена систематизация генов всех форм 
G-
белков [Bischoff et al., 1999]. Структура малых G-белков 
напоминает а-субъединицу гетеротримерного комплекса. 
В их состав входят рецепторсвязывающая область и ГТФ / 
ГДФ-связывающее место.
Функции малых G-белков в растениях в настоящее вре-
мя интенсивно изучаются. Обнаружено, что они принимают 
участие в организации актинового цитоскелета, образова-
нии активных форм кислорода (функционировании 
НАДФН-оксидазы) и апоптозе клеток [Kawasaki et al., 
1999], входе ионов кальция в клетки [Н. Li et al., 1999], акти-
вации фосфолипазы Д [Holbrook et al., 1999; С. Wang, 2000;
X. Wang, 200
0]. Для изучения участия G-белков в различных 
сигнальных цепях клеток часто используют активатор G-
белков - мастопаран [Blumwald et al., 1998; Chapman et al., 
1998; Machady et al., 1998; Roos et al., 1999].
Участие в сигнальных системах, включаемых элисито-
рами, предполагает достаточно важную роль G-белков в 
выработке защитных реакций клеток растений по отноше-
нию к патогенам. В связи с этим обращают на себя внима-
ние факты патоген- и элиситориндуцированного образова-
ния G-белков [Ichinose et al., 1999] и обнаруженных ранее 
[Ueda et al., 
1998] ингибиторов диссоциации комплексов G-
белков [Kim et al., 1999].
Представляется необходимым отметить роль фермента-
тивного липидирования и делипидирования в функциониро-
вании мембранных рецепторов и G-белков. Прикрепление 
белков к мембранам осуществляется с помощью пост-
трансляционно приобретенных гидрофобных остатков, ко-
торые погружаются в липидный материал мембран, выпол-
няя роль корешков, удерживающих большую молекулу 
белка на мембране. Ферментативное отщепление гидро-
фобного (липидного) остатка переводит белок из связанного 
с мембраной состояния в свободное, что может сущест-
венно изменить функции этого белка [Casey, 1995]. Деталь-
ный механизм регуляции активности этих ферментов оста-
ется недостаточно выясненным.
Обнаружено, что 16-углеродные остатки пальмитино-
вой кислоты могут быть перенесены на белок с образовани-
ем тиоэфирной связи с цистеином белка.
Пальмитоил-S-KoA + HS-белок —> 
—
> Пальмитоил-Б-белок + HS-KoA
Пальмитоильный остаток может впоследствии заме-
щаться ацильными остатками других жирных кислот. При 
переносе на белок остатка 14-углеродной миристиловой ки-
слоты она взаимодействует с аминогруппой N-концевого 
глицина с помощью N-миристоилтрансферазы. Еще один 
способ усиления связывания с мембранами различных бел-
ков - их пренилирование, осуществляющееся путем переноса 
15-
углеродного фарнезильного или 20-углеродного гера-
нилгеранильного остатков на HS-группу цистеина, располо-
женного близ С-конца белка.

О роли прикрепления к белкам гидрофобных остатков 
можно судить по следующим фактам. Депальмитоилирова-
ние мембранных рецепторов может способствовать их осво-
бождению из плазмалеммы, что приведет к невозможности 
восприятия элиситорных сигналов. Известна важная роль в 
функционировании сигнальных систем "липидированных" 
G-
белков, осуществляющих передачу сигнального импульса 
от мембранных рецепторов к стартовым ферментам сигналь-
ных цепей. Обратимое пальмитоилирование ос-субъединицы 
этого белка может изменять его сигнальную активность. у-
Субъединица G-белка пренилирована, и это определяет 
связь с мембраной комплекса у- и р-субъединиц. Могут быть 
пренилированы и малые G-белки, также участвующие в пе-
редаче и преобразовании элиситорных сигналов от рецепто-
ров к интермедиатам сигнальных цепей. Опубликовано не-
сколько работ с описанием элиситориндуцированного пере-
хода некоторых белковых интермедиатов сигнальных систем 
из растворимого (в цитозоле) состояния в связанное с плаз-
малеммой, что, по-видимому, определялось их липидироваи-
ем. Примером может служить переход фосфолипазы D из 
растворенного в мембраносвязанное состояние, вызванный 
действием экзогенной абсцизовой кислоты [Ryu, Wang, 
1995]. В связывании с мембранами кальцийзависимых проте-
инкиназ играет большую роль меристоилирование N-конца 
молекулы [Hrbak et al., 1996; Romeis et al., 2000].
Сравнительно недавно стало ясно, что большую роль во 
внутриклеточном преобразовании сигналов играют вспо-
могательные белки, не преобразующие сигналы, но имею-
щие "стыковочные" домены, способные связывать сигналь-
ные белки. В связи с тем, что один вспомогательный белок 
может иметь несколько одинаковых или отличающихся 
стыковочных (достаточно консервативных) доменов, то он 
может обеспечивать формирование достаточно сложного 
белкового комплекса, облегчающего взаимодействие меж-
ду звеньями сигнальных цепей, такими как, например, ре-
цепторы, G-белки, протеинкиназы, факторы регуляции 
транскрипции, протеинфосфатазы, цитоскелетные белки, 
такие ферменты, как NO-синтаза. Взаимодействие между 
вспомогательными белками, а также между ними и сигналь-
ными белками регулируется с помощью различных меха-
низмов, одними из которых являются реакции фосфорили-
рования-дефосфорилирования определенных остатков 
аминокислот в белках.
Вспомогательные белки подразделяются на объединяю-
щие (scaffold), заякоривающие (anchoring) и адапторные 
IPawson, Scott, 
1997]. Если в двух последних типах белков 
обычно взаимодействуют два партнера, то в первом объе-
диняющий белок "навешивает" на себя несколько сигналь-
ных белков. У дрозофилы был найден ген, кодирующий 
объединительный белок с пятью "стыковочными" PDZ-до-
менами, обеспечивающий организацию сигнального комп-
лекса. Мутации этого гена (даже в области одного PDZ-до-
мена) приводят к серьезным нарушениям распределения 
сигнальных молекул внутри клеток. Вышеупомянутый 
белок обеспечивает преобразование светового сигнала в 
светочувствительной клетке глаза дрозофилы. С помощью 
пяти модулей (PDZ) он связывает в единый комплекс гете-
ротримерный G-белок (взаимодействующий с фоторецеп-
тором родопсином), фосфолипазу С, протеинкиназу С, 
кальциевый канал, кальмодулин [Tsunoda et al., 1997]. Можно 
ожидать, что у растений имеются подобные объединяющие 
белки, если исходить из принципа унификации структуры и 
функций как генома, так и обслуживающих его механизмов 
[Гречкин, Тарчевский, 2000]. Кроме того, уже обнаружены 
однотипные обслуживающие белки у растений и животных, 
например адапторный димерный белок 14-3-3, каждая субъ-
единица которого узнает и связывает фосфосериновый 
остаток одного из двух различных сигнальных белков, в ре-
зультате чего происходит их объединение в единый функ-
ционирующий сигнальный комплекс. Ключевыми для свя-
зывания могут быть и фосфотирозиновые остатки. Один из 
типов стыковочных доменов имеет полипролиновую после-
довательность аминокислот. Усиливает способность обра-
зовывать сигнальные олигомеры обратимое преобразова-
ние сульфгидрильных групп остатков цистеина в межмоле-
кулярные дисульфидные в N-концевой области взаимодей-
ствующих сигнальных и вспомогательных белков [Pawson, 
Scott, 
1997]. Функционированием вспомогательных белков 
объясняют явления локализации и кластеризации рецепто-
ров и ионных каналов, а также специфику реализации одно-
го и того же сигнала в клетках различных тканей.

ПРОТЕИНКИНАЗЫ И ПРОТЕИНФОСФАТАЗЫ
Эффективным и широко распространенным способом 
изменения активности ферментов и других белков является 
один из видов их посттрансляционной модификации - фос-
форилирование входящих в них аминокислот. Так как оста-
ток ортофосфорной кислоты обычно (в условиях внутри-
клеточного диапазона рН) несет отрицательный заряд, то 
его появление в белке приводит к изменению суммарного 
локального электрического заряда и в связи с этим конфор-
мации и активности белка. Реакции фосфорилирования 
белков катализируют различные виды протеинкиназ, кото-
рые привлекают большое внимание исследователей в связи 
с их ключевой ролью в регуляции функционирования кле-
ток, в том числе в работе сигнальных систем [Hardie, 1999; 
Schenk, Snaar-Jagalska, 
1999]. Описанию принципов строения 
и классификации протеинкиназ посвящен целый ряд обзор-
ных статей [Hunter, 1995; Stone, Walker, 1995; Hardie, 1999; 
Walker-Simmons, 1998; Hardie, 1999; Jouannic et al., 1999b; 
Cohen, 
2000; и др.].
В настоящее время у эукариотических организмов опи-
сано около 1000 представителей этих ферментов [Hardie, 
199
9], причем почти половина из них - у растений [Cohen, 
2000]. Эти ферменты катализируют реакцию переноса кон-
цевого ортофосфата от АТФ на некоторые аминокислот-
ные остатки белков:
Белок + АТФ —> Белок-Ф + АДФ
Все протеинкиназы подразделяются на пять подсе-
мейств, в зависимости от тех остатков аминокислот, кото-
рые они фосфорилируют в белках-субстратах протеинки-
назных реакций [Hardie, 1999]: рецепторные двухкомпо-
нентные гистидиновые протеинкиназы с автокаталитиче-
ским переносом фосфатного остатка с гистидина на собст-
венный аспартат; гистидиновые; серин-треонинспецифич-
ныe; тирозиновые; протеинкиназы двойной специфично-
сти, способные функционировать и как серин-треониновые, 
и как тирозиновые. Многие представители этих подсе-
мейств принимают участие в функционировании сигналь-
ных систем клеток растений.
За последние годы большинство генов протеинкиназ 
клонировано (только у арабидопсиса - около 200), и пер-
вичная структура как этих генов, так и кодируемых ими 
протеинкиназ была расшифрована, что позволило рассмат-
ривать вопросы молекулярной эволюции этих ферментов 
| Hardie, 
1999] и их структурной принадлежности к различ-
ным семействам и подсемействам. Сопоставление функцио-
нальных особенностей различных протеинкиназ позволило 
провести дополнительную классификацию этих фермен-
тов, подразделить их на следующие подсемейства (здесь 
приводятся главным образом те из них, которые имеют не-
посредственное отношение к функционированию сигналь-
ных систем): кальцийзависимые; АМФ-зависимые (при го-
лодании клеток снижается содержание АТФ и повышает-
ся - АМФ, что активирует протеинкиназы этой группы), 
обозначаемые также как SNF PK (sucrose non-fermenting pro-
tein kinases); 
рецепторные киназы, образующие активные 
гомо- или гетеродимеры после связывания с сигнальными 
молекулами (лигандами); митоген-активируемые протеин-
киназы, причем у арабидопсиса клонировано семь МАР-ки-
наз и по пять МАР-киназ киназ и МАР-киназ киназ киназ; 
циклинзависимые протеинкиназы (активируемые белками-
циклинами), принимающие участие в прохождении клеточ-
ных циклов; казеиновые киназы, принимающие участие, 
например, в фосфорилировании факторов регуляции транс-
крипции и стимулировании их связывания с промоторными 
участками генов; протеинкиназы группы CTR 1/Raf, прини-
мающие участие в "сопряжении" ГТФ-связывающего белка 
(G-
белка) Ras с МАР-киназами, в частности, в индуцируе-
мом этиленом МАР-киназном сигнальном каскаде.
Протеинкиназы различных семейств имеют довольно 
консервативную структуру каталитического домена, менее 
консервативную структуру регуляторного и наиболее вари-
абельную - распознающего субстраты домена, что позволя-

ет ему "узнавать" очертания субстратных участков белков-
мишеней. Структура регуляторного домена различных про-
теинкиназ определяет их способность взаимодействовать с 
определенными молекулами эффекторов, в роли которых 
могут выступать различные вторичные посредники сиг-
нальных систем клеток. Это приводит к активированию или 
инактивированию протеинкиназ и изменению интенсивно-
сти преобразования и передачи по сигнальной цепи элиси-
торного сигнального импульса. Активация различных изо-
форм протеинкиназ может осуществляться ионами каль-
ция, Са
2+
-
кальмодулиновым комплексом, циклическими 
АМФ и ГМФ, диацилглицеринами и другими, ингибирова-
ние - таннинами, флавоноидными соединениями, искусст-
венными синтетическими ингибиторами.
Белки-представители некоторых групп протеинкиназ 
состоят из гетеротримерных комплексов, причем каждая из 
субъединиц комплекса (сс-каталитическая, (3-регуляторная 
и у-узнающая субстрат) соответствует упоминавшимся вы-
ше доменам одномолекулярных протеинкиназ.
Повышение концентрации активатора или ингибитора 
протеинкиназных реакций может сильно отразиться на на-
правленности обмена веществ клеток, так как в качестве 
субстратов протеинкиназных реакций выступают различ-
ные ферменты, белки-участники сигнальных систем клеток 
(в том числе сами протеинкиназы), белки не только цитозо-
ля, но и мембран, например, белки ионных каналов и ион-
ных помп.
Ключевую роль в функционировании сигнальных сис-
тем клеток играют не только реакции фосфорилирования 
белков, но и обратные реакции их дефосфорилирования, 
катализируемые протеинфосфатазами и возвращающие ак-
тивность белков-субстратов в исходное состояние:
Белок + Фн
Протеинфосфатазы растений подразделяют на несколь-
ко групп, при этом в основу классификации положено сход-
ство (или различие) последовательности аминокислот в до-
менах ферментов [Rodriguez, 1998]. Гены многих протеин-
фосфатаз были клонированы, и их первичная структура оп-
ределена. Обнаружена чрезвычайно высокая консерватив-
ность протеинфосфатаз, что подтверждает представление о
впжности исследуемых ферментов в осуществлении функ-
ций клеток.
Протеинфосфатазы подразделяются на низкомолеку-
лярные цитоплазматические и высокомолекулярные ре-
цепторные [Буланова, Будагян, 1994] классы. Первые 
включают в себя два подкласса: серин-треониновые и тиро-
зиновые фосфатазы.
Серин-треониновые протеинфосфатазы (ПФ) растений 
(гомологичные обнаруженным у животных) подразделяются 
на три типа: ПФ1, ПФ2А и ПФ2С (РР1, РР2А и РР2С). 
Протеинкиназы типа 2В (РР2В), характерные для живот-
ных, в растениях еще не клонированы, но опыты со специ-
фическим ингибитором этих ферментов позволяют счи-
тать, что этот тип протеинфосфатаз присутствует и у расте-
ний [Schreiber, 1992]. Еще одно различие в том, что у РР2С 
не обнаружено регуляторной субъединицы. По-видимому, 
се роль могут играть различные белки, являющиеся мише-
нями для фермента. Активность каталитической субъеди-
ницы у РР2В регулируется и кальцием, и кальцийсвязываю-
щим белком - гомологом кальмодулина [Klee et al., 1988].
Рецепторные протеинфосфатазы имеют достаточно 
консервативный трансмембранный домен и подразделяют-
ся на несколько классов в зависимости от структуры и 
свойств внеклеточного и цитоплазматического фосфатаз-
ного доменов. Первый может содержать гликозильные ос-
татки или богатые серином участки.
Дополнительное свидетельство различий протеинфос-
фатаз в том, что они по-разному относятся к ингибиторам и 
ионам. Так, протеинфосфатазы РР2С требовали для своей 
активации ионы Mg
2+
и Мп
2+
и не реагировали на окадаевую 
кислоту - сильный ингибитор активности протеинфосфатаз 
типа РР1 и PP2A[Cohen, 1989; Rodriguez, 1998].
Расшифровка первичной структуры протеинфосфатазы 
типа РР2С у растений (главным образом, у арабидопсиса) 
[Rodriguez, 199
8] позволила сделать вывод, что у них глав-
ные различия определяются вариациями аминокислотного 
состава на N-конце молекул. Например, у КАРР (kinase 
associated protein phosphatase) 
домен KI связывается только с 
фосфорилированной формой рецепторных протеинкиназ и 
дефосфорилирует их, прерывая передачу сигнального им-
пульса.
Протеинфосфатаза
Белок-Ф

АВ11 и АВ12 играют ключевую роль в АБК-индуциро-
ванном сигнальном пути [Merlot, Giraudat, 1997; Gosti et al., 
1999]. Наблюдались рН-зависимая и М§
2+
-
зависимая акти-
вация ABU [Leube et al., 1998].
У протеинфосфатаз МР2С основной мишенью является 
МАРККК, активируемая при воздействии различных стрес-
соров. Такая специфика становится объяснимой, если 
учесть, что у некоторых протеинфосфатаз обнаружены ме-
ста связывания с соответствующими им протеинкиназами 
[Williams et al., 1997; Li J. et al., 1999] - 
участниками сигналь-
ных систем клеток. Это позволяет обеспечивать существо-
вание комплекса протеинкиназа-протеинфосфатаза и свое-
временно и эффективно блокировать преобразование и пе-
редачу в геном сигнального импульса. Принцип работы этого 
механизма достаточно прост: накопление определенной 
протеинкиназы - интермедиата сигнальной цепи - активи-
рует фосфопротеин-фосфатазу и приводит к дефосфорили-
рованию (инактивации) протеинкиназы. Например, актива-
ция некоторых протеинкиназ может привести к фосфори-
лированию и активации соответствующих протеинфосфа-
таз. При исследовании функционирования протеинфосфа-
таз часто используют специфические ингибиторы, напри-
мер окадаевую кислоту и каликулин [Li et al., 1994b].

жүктеу/скачать 3,42 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: