Мембранная энзимология

В ряде работ было показано, что  связывание фермента с мицеллами  или бислоями предшествует стадии активации, при которой резко возрастает число оборотов фермента, и экспериментально эти две стадии можно разделить. Такое поведение ничем не отличается от поведения других рассмотренных  липидзависимых ферментов. Несмотря на обилие данных по кинетике, связыванию и структуре фосфолипазы, исследователи  не пришли к единому мнению о том, что происходит с ферментом при  его активации в присутствии  липидного бислоя или мицелл. В  литературе рассматривается несколько  возможных механизмов.

Фермент связывается с бислоем  с помощью специального "участка  узнавания поверхности раздела", отличного от активного центра, и  для его формирования необходим  Са^2 +. Предполагается, что этот участок проникает в глубь мембраны. Эта модель основана, в частности, на данных по специфическому влиянию химической модификации N-концевого участка полипептида на взаимодействие с агрегированными субстратами. Происходящая при взаимодействии участка узнавания с мембраной активация фермента, по-видимому, обусловлена конформационными изменениями белка. Следует отметить, что в кристаллическом виде ферменты из поджелудочной железы быка и свиньи представляют собой мономеры, в то время как фосфолипаза Аг из яда гремучей змеи является димером. Обнаруживаемый в мономерных фосфолипазах участок, который, как предполагают, является "участком узнавания поверхности", в димерном ферменте недоступен из водной фазы и находится на поверхности межсубъединичного контакта.

Двухфосфолипидная модель предполагает существование в ферменте двух или  более центров связывания фосфолипидов и основана прежде всего на кинетических данных по активации фермента фосфолипидами  в смешанных мицеллах. Эта модель позволяет учесть роль агрегации  двух или более молекул фермента как важнейшей части схемы  активации, а также роль возможных  конформационных изменений в  увеличении каталитической активности.

Постулируется, что конформация  фосфолипидного субстрата в агрегированном состоянии отличается от конформации  мономерной формы, и именно с этим связана более высокая скорость гидролиза агрегированных форм липидов  ферментом.

4. Увеличение активности связано  с тем, что из мицелл или  бислоя продукты гидролиза удаляются  легче. Кроме того, само по себе  накопление продуктов уже приводит  к увеличению активности фосфолипазы  Аг, хотя механизм этого явления  неясен.

Одна из проблем, возникающих при  анализе процесса активации, состоит  в том, как разделить процессы связывания с липидом и активацию  липидом. В экспериментах с однослойными фосфолипидными везикулами удалось выяснить, что критическим параметром для обоих стадий является физическое состояние бислоя. Показано, например, что фосфолипаза А2 лучше всего связывается с дипальмитоилфосфатидилхолином в фазе геля, причем Са^2 + для этого не нужен. Для активации же фермента в такой системе, по-видимому, требуется Са^2 +, причем в случае везикул фосфатидилхолиновый бислой должен обладать дефектами упаковки и в нем должны происходить структурные флуктуации, подобные тем, которые имеют место в ходе термоиндуцируемого фазового перехода. Взаимодействия молекул белков могут быть важны как для связывания, так и для активации. В некоторых условиях активированный фермент сохраняет активность по крайней мере в течение 30 мин.

Лучшими субстратами для фермента являются фосфолипиды с короткой ацильной цепью и небольшими по объему полярными заместителями при  фосфате. Хотя для активации фермента кислые фосфолипиды не являются необходимыми, отрицательный заряд на поверхности  раздела все же повышает сродство к субстрату. Связавшись с границей раздела, фермент может латерально перемещаться по поверхности бислоя и гидролизовать до нескольких тысяч  фосфолипидных молекул в минуту до тех пор, пока не отделится от бислоя. Время пребывания белка на поверхности бислоя в значительной степени зависит от природы липида и свойств окружающего раствора.

Какие именно конформационные изменения  приводят к активации и каким  способом происходит связывание фермента с бислоем, неизвестно. Обнаруживаемая при изучении модельных бислойных  систем зависимость кинетики от наличия  дефектов бислоя представляется очень  интересной, хотя неясно, насколько  такие дефекты важны для работы фермента in vivo.

И в заключение необходимо отметить, что фосфолипаза Аг ответственна за высвобождение из мембраны арахидоновой кислоты, последующее превращение  которой в лейкотриены и простагландины является частью воспалительного процесса. Стероиды, обладающие противоспалительным  эффектом, активируют группу белков, называемых липокортинами, которые в свою очередь  специфически ингибируют фосфолипазу  Аг. Липокортины являются также субстратами  протеинкиназы С и тирозиновых  протеинкиназ, которые, вероятно, могут  таким образом участвовать в  регуляции активности липокортинов. Ингибирующий эффект липокортинов, по-видимому, связан не с образованием прочного комплекса с фосфолипазой Аг, а  с их взаимодействием непосредственно  с мембраной.

Резюме

Многие клеточные процессы катализируются мембраносвязанными ферментами. При  этом мембрана может выполнять целый  ряд функций. Связав фермент с  определенной мембраной или участком на мембране, можно локализовать каталитический центр в определенной части клетки. Существует множество примеров, когда  несколько действующих последовательно  ферментов организованы подобным образом  в некий суперкомплекс, что позволяет  увеличить суммарную скорость реакции. Многие мембранные ферменты представляют собой белки, пронизывающие мембрану насквозь, и участвуют в трансмембранном транспорте растворенных веществ или в передаче информации с одной стороны бислоя на другую в форме трансмембранного аллостерического сигнала. Другие ферменты являются периферическими мембранными белками и в некоторых случаях способны связываться с мембраной только в ответ на определенный физиологический сигнал.

Во многих случаях липидный бислой играет пассивную роль в функционировании мембраносвязанных ферментов, являясь  лишь средой, в которой происходит взаимодействие фермента с субстратом. Нередко, однако, оптимальное функционирование мембранных ферментов оказывается  возможным только в присутствии  определенных липидов, хотя абсолютная специфичность конкретного липида в активации фермента встречается  крайне редко. Интерпретировать данные по влиянию липидов на активность изолированных мембранных ферментов  часто очень непросто. Изучение очищенных  мембранных белков in vitro ставит перед  исследователем огромное множество  совершенно особых проблем, не встречающихся  при работе с растворимыми ферментами.