3.5. Фосфолипиды и позиционный (релейный) принцип регуляции активности ферментов

В процессе биологической эволюции взаимодействие некоторых липидов с белками-ферментами закрепилось в форме участия первых в регуляции вторых. Факты зависимости активации или инактивации ферментов от присутствия и/или состояния в их микроокружении определённых липидов хорошо извес-тны. В основном «липидное» управление работой ферментов осуществляется по принципу «включено – выключено», т. е. как двухпозиционное. Реализация этого принципа может происходить по-разному в зависимости от типа задей-ствованного в процесс регуляции липида, которым обычно является какой-либо фосфолипид.

3.5.1. Наиболее распространённым является, по-видимому, вариант регуля-ции с участием легкоокисляемых фосфолипидов – кардиолипина, PS, PI и др. Постулируется, что последние уже при умеренном повышении интенсивности их перекисного окисления подвергаются определённым изменениям и, возмо-жно, деструкции, прерывая тем самым функцию соответствующего фермента. В норме этот акт после восстановления исходного фосфолипидного компонента может периодически повторяться, а при устойчивом поддержании в клетке избыточного ПОЛ стать перманентным дестабилизирующим (инактивирую-щим) фактором.

Указанный принцип регуляции вполне просматривается на примере функ-ционирования ряда ферментных комплексов и сигнальных систем. Некоторые из них уже упоминались нами при рассмотрении других аспектов проблемы пролиферации и канцерогенеза. Напомним, что это зависимость функции дыха-тельных ферментов и сопряжения электронотранспортных процессов в мито-хондриях от кардиолипина (п. 2.1.7), зависимость активности аденилатциклазы от PS и PI (п. 2.1.9; Кухарь и др., 1991), РКС – от PS (п. 3.1.1), а некоторых факторов транскрипции – от кардиолипина ядерных мембран (п. 2.3.9).

Интересен также следующий факт: специфичная для PI PLC сама оказалась чувствительной к легкоокисляемому кардиолипину. В цитозоле и мембранной фракции миокарда кроликов найдены 4 растворимые изоформы PLC, причём кардиолипин стимулировал активность трёх из них и подавлял активность одной изоформы. Активность ассоциированной с мембранами PLC в присут-ствии кардиолипина увеличивалась (Wolf, 1989). Возникает, естественно, пред-положение, что и здесь он выполняет регуляторную роль в качестве звена, прерывающего соответствующий ферментативный процесс в момент возник-новения в клетке избыточного ПОЛ.

Действительно, в случае некоторого превышения нормоксического уровня ПОЛ указанные регуляторные действия кардиолипина будут искажаться, а соответствующие функции PLCs приостанавливаться до момента восстанов-ления нормальной структуры кардиолипина. Периодическое окисление послед-него равносильно срабатыванию отрицательной обратной связи, охватывающей часть процессов метаболизма фосфолипидов в составе митогенного каскада. В таком виде система регуляции уподобляется релейной. Не исключено, что стру-ктурно-функциональная организация тандема «кардиолипин – PLC» не явля-ется ткане- и/или видоспецифичной, а отражает более общий биокибернети-ческий принцип построения подобных регуляторных образований. Механизм функционирования иных ассоциатов типа «легкоокисляемый фосфолипид – фермент» (PS – PKC, PI – аденилатциклаза, PI – Na⁺,K⁺-ATPаза, кардиолипин – РНК-полимераза и др.) в принципе, вероятно, аналогичен рассмотренному выше. Наличие их свидетельствует, на наш взгляд, о том, что природа широко использует свойство лёгкой окисляемости некоторых фосфолипидов для конст-руирования на этой основе простых «релейных» систем управления, обеспечи-вающих протекание различных биохимических процессов в циклическом режи-ме и в допустимых пределах в соответствии с периодами клеточного цикла.

Реализуемые в норме механизмы регуляции клеточной активности в гипер-оксических условиях трансформированной и опухолевой клеток, естественно, нарушаются. В частности, в ассоцитатах типа «кардиолипин – PLC» устойчивое теперь повреждение фосфолипидной части должно прекратить действие ука-занной выше отрицательной обратной связи и самого позиционного регули-рования. Однако некоторые прооксиданты и образующиеся продукты ПОЛ сами способны активировать PLCs, создавая по данному каналу положи-тельную обратную связь. Устойчивое поддержание в этих клетках повышен-ного уровня перекисного окисления фосфолипидов, выполняющих в норме вышеназванные регуляторные функции и прямо или косвенно влияющих на работу митогенного каскада, создаёт, по нашим представлениям, условия для неконтролируемой пролиферации. Это касается и этапов, связанных с функ-ционированием мембранного и энергетического каналов подсистемы управ-ления клеточным циклом (Лю, Ефимов, 19978; Лю, Саприн, 1980).

3.5.2. Другой формой участия фосфолипидов в управлении активностью ферментов представляется выполнение ими, на первый взгляд, пассивной мало-значащей роли звена, связывающего фермент с мембраной или иными струк-турными образованиями. Регуляторный смысл «заякоривающей» функции фосфолипида состоит в обратимости этого процесса и, следовательно, в воз-можности фермента или какого-то другого мембранного белка находиться в связанном или свободном состоянии. В качестве соединения в указанной роли широко используется PI (Ikezawa, 1991). Имеются доказательства существова-ния связанных PI форм рецепторов фибронектина человека и птиц. Исследо-вание структуры и функции таких рецепторов показало, что PI участвует в передаче межклеточных сигналов и в клеточной адгезии. Обработка клеток PI-специфичной PLC уменьшала экспрессию рецепторов на 30-40 %, снижалась и фибронектиново-специфичная адгезия (Symington, Symington, 1990).

Интересны также материалы об эндогенной щелочной фосфатазе, заяко-ренной в клеточной мембране с помощью PI (Noda et al., 1987). Обработка клеток специфичной для этого фосфолипида PLC приводит к высвобождению фосфатазы из клеточной мембраны. По другим данным (Moss, 1997), связь ще-лочной фосфатазы с клеточной мембраной осуществляет домен, состоящий из гликанфосфатидилинозита, который, предположительно, расщепляется специ-фичной PLD. Эти и другие подобные им системы регуляции могут иметь отно-шение к неясному пока механизму завершения или прерывания в норме процес-са пролиферации. Одним из составляющих этого механизма может быть дефос-форилирование какой-либо фосфатазой винкулина, талина и других белков кортикального скелета, участвующих в заякоривании молекул фокального кон-такта, рецепторов и иных поверхностных компонентов. В результате нарушен-ная при фосфорилировании связь цитоскелета с указанными структурами вос-станавливается, и в этой части клетка снова подготовлена к восприятию эндо-генного стимула. Дефосфорилированию, вероятно, подвергаются и PPIs, что должно подавлять функционирование сигнальной PPI-системы. По-видимому, постулируемые фосфатазы, как и большинство других ферментов в клетке, способны активироваться лишь в связанном с мембраной состоянии.

Таким образом, в заякоренном положении фосфатаза актом дефосфори-лирования могла бы внести свой вклад в общий антипролиферативный эф-фект. Такое действие фосфатазы относилось бы к разряду конкурентных взаи-модействий положительных и отрицательных регуляторов клеточного деления, в данном случае протеинкиназ и фосфатаз (Имянитов, Князев, 1992). После воздействия ростстимулирующих агентов и последующей активации PLC PI-связь фосфатазы с клеточной мембраной нарушается, что должно, очевидно, устранить (временно, до восстановления этой связи) саму возможность нега-тивного влияния фосфатазы на пролиферацию клетки. Вообще же, антипро-лиферативная и продифференцировочная направленность действия присуща, похоже, и другим тканевым щелочным фосфатазам (Hui et al., 1996), неза-висимо от механизма их активации.

ODC, связанная с цитоплазматической поверхностью мембраны тем же PI, в противоположность фосфатазе «работает» на пролиферацию. Поэтому и логика здесь должна быть обратной: в связанном с мембраной состоянии этот фермент неактивен, при разрыве же PI-связи фосфолипазой С ODC получает возможность активироваться (Mustelin et al., 1987). Сходные механизмы регу-ляции, опосредованные PIs, обсуждаются и в ряде других работ. В общем случае PIs могут быть через гликаны связаны с белками, и гидролиз этих фос-фолипидов может приводить к освобождению играющих регуляторную роль гликанов и белков (Hawthorne et al., 1987). Изложенные представления по рассмотренному здесь преднамеренно узкому «фосфатидилинозитному» кругу вопросов приведены на рис. 19.

Из сказанного выше следует, что регуляторная функция ряда важнейших ферментов явно зависит от состояния связывающего их с мембраной PI, выпол-няющего роль своего рода «плавкого предохранителя». В нестимулированных к росту клетках предохранитель невредим и поддерживает соответствующие фер-менты в состояниях, блокирующих пролиферацию на конкретных её этапах, при этом по условиям непротиворечивости эффектов одни ферменты могут быть активны, а другие, наоборот, неактивны, что определяется, по-видимому, адаптивным «подбором» соответствующих типов изоферментов; при возбужде-нии митогенного сигнала PI, как предохранитель, «перегорает» под действием PLC, и высвободившиеся ферменты, изменяя знак своего эффекта на обратный, способствуют теперь пролиферации. Если же в клетке созданы условия для стойкого поддержания гипероксии и повышенного уровня ПОЛ, указанное «перегорание» легкоокисляемого PI может, вероятно, происходить и нефермен-тативным путём, т. е. независимо от действия активной PLC, и что сущес-твенно, на протяжении неопределённо длительного времени. Это обстоя-тельство наряду с другими изменениями (см. главу 2; п. 3.1.3 и 3.4.2) также должно быть причастным к феномену неконтролируемой пролиферации, харак-терной для опухолевых клеток.

В том случае, когда функцию звена, связывающего определённые фермен-ты с плазматической и другими мембранами, выполняет иной фосфолипид, например фосфатидилхолин, принцип регуляции остаётся тем же. «Подбира-ется» лишь специфичный для этого фосфолипида гидролизирующий фермент. Что касается управления внутриклеточными процессами с привлечением труд-ноокисляемых фосфолипидов, в частности сфингомиелина, то некоторые при-меры и возможные здесь решения природы были рассмотрены нами в п. 3.3.2.

Повышение уровня полиаминов: АDP-рибозилирование ядерных белков, стимуляция РНК-полимераз, синтез cGМP и изменение активности генов с помощью полиа-минозависимых протеинкиназ

Митогенные агенты

Активация фосфоинозит-специфичных фосфолипаз С

Гидролиз фосфоино-зитидной связи

Инактивация зависимой от фосфатидилинозита аденилатциклазы

Гидролиз полифосфо-инозитидов

Освобождение от заякоривания в плазматической мембране:

Уменьшение содержания cАМP

Образование диацилглицерина и инозиттрифосфата

• орнитиндекарбоксилазы (ОDC);

• фосфатазы;

Активация фосфолипазы А₂, мобилизация внутриклеточного Са²⁺

- рецепторов,

других мембран-ных белков

Активация ОDC в свободном состоянии и вследствие снижения cАМP-зависимого ее

ингибирования

Утрата фосфатазой активности в свободном состоянии

Рис.19. Вероятные митогенные эффекты в норме при гидролизе фосфоинозитидов и «разъякоривании» некоторых фермен-

тов плазматической мембраны

Прекращение анти-пролиферативного процесса дефосфо-рилирования белков кортикального скелета, участвую-щих в заякоривании поверхностных и трансмембранных структур

Активация липо-оксигеназного пути метаболизма ара-хидоновой кис-лоты, как состав-ного компонента митогенного каскада, и Са²⁺-зависимых «проли-феративных» фер-ментов и процессов

ИЗМЕНЕНИЯ, СПОСОБСТВУЮЩИЕ АКТИВАЦИИ СИНТЕЗА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ И ПРОТЕКАНИЮ МИТОГЕНЕЗА