Роль пептидов в функционировании нервной системы

Метаболизм энкефалинов и ферменты их процессинга

Как было отмечено выше, известны три белковые молекулы, включающие в свою структуру последовательности энкефалинов: проопиомеланокортин, препроэнкефалин А (проэнкефалин), препроэнкефалин В (продинорфин). Последовательности, определяющие структуру энкефалина, входящего в состав молекулы предшественника, фланкированы парами основных аминокислот - аргинина или лизина. Структуры типа Arg-Lys, Arg-Arg, Lys-Lys, Lys-Arg узнаются ферментативными комплексами, осуществляющими протеолиз. В результате действия как эндо-, так и экзопептидаз секреторных везикул, так и внеклеточных ферментов, локализованных на внешней поверхности мембраны и в биологических жидкостях организма, происходит полное освобождение активного пептида из его предшественника.

Протеолитические ферменты являются специфичными на каждом этапе процессинга. Выделяют множество различных везикулярных эндопептидаз, осуществляющих специфическое ращепление: прогормон-конвертазы 1/3 и 2, динорфин-превращающий фермент, тиоловая прогормон-конвертаза, энкефалинобразующий фермент, IRCM-сериновая протеиназа I. Ряд внеклеточных ферментов также принимают участие в процессинге энкефалинов: эндопептидаза 24.15 (КФ 3.4.24.15), эндоолигопептидаза А (КФ 3.4.22.19), а также ангиотензинпревращающий фермент (АПФ, КФ 3.4.15.1), проявляющий наряду с эндопептидазной и дипептидилкарбоксипептидазную активность.

После действия эндопептидаз образуются пептиды, фланкированные остатками основных аминокислот, для отщепления которых необходимы специфические амино- и/или карбоксипептидазы. В процессинге энкефалинов важную роль играют экзопептидазы секреторных везикул, такие как аминопептидазо-В-подобные и карбоксипептидазо-В-подобные ферменты.

Одним из основных ферментов конечной стадии процессинга энкефалинов в мозге является карбоксипептидаза H. Этот фермент катализирует расщепление остатков основных аминокислот с С-конца белков пептидов предшественников, превращая их в активные формы. Локализация КП Н совпадает с распределением проэнкефалинов, регуляторных пептидов и их предшественников (адренокортикотропного гормона, вещества Р, вазопрессин, окситоцина, инсулина, глюкагона , натрийуретического фактора предсердий).

Сходной с КП Н субстратной специфичностью обладает фермент, получивший своё название от индивидуального ингибитора: PMSP(фенилметилсульфонилфторид)-ингибируемая карбоксипептидаза. Физико-химические свойство данного фермента сходны с таковыми у лизосомальной КП А. Известно, что карбоксипептидаза Н проявляет большее сродство к тем субстратам, у которых перед остатком основной аминокислоты находится остаток аланина или глицина, а PMSP-ингибируемая карбоксипептидаза преимущественно расщепляет субстраты, у которых предпоследними являются остатки лейцина и метионина. Кроме того, показано, что Кm КПН по отношению к DNS-Phe-Ala-Arg почти в 3 раза выше, чем по DNS-Phe-Leu-Arg, а Кm ФМСФ-ингибируемой КП по DNS-Phe-Ala-Arg почти в 2 раза ниже, чем по DNS-Phe-Leu-Arg. Поэтому можно предполагать, что КПН и PMSP-ингибируемая КП, участвуя в процессинге, отдают предпочтение различным регуляторным пептидам, при этом проэнкефалины являются, вероятно, более предпочтительным субстратом для PMSP-ингибируемой КП, нежели чем для КПН.

Помимо вышеперечисленных экзопептидаз секреторных везикул, в процессинг энкефалинов вовлекаются и внеклеточные экзопептидазы: карбоксипептидаза N (КФ 3.4.12.7) и карбоксипептидаза М.

Таким образом, в результате последовательного действия вышеуказанных ферментов, из высокомолекулярных предшественников высвобождаются активные энкефалины. Под влиянием какого-либо стимула (медиаторы, другие регуляторные пептиды, cAMP), возникающего по типу обратной связи или поступающего от других секреторных клеток, происходит изменение концентрации ионов Ca2+. Это приводит к выделению из клетки активных энкефалинов, которые мигрируют к клеткам-мишеням (через кровяное русло или синаптическую щель), где связываются со специфическими рецепторами. В последствии, они подвергаются расщеплению различными пептидазами, что приводит к их модификации или же к полной потере их биологической активности.

Дезактивация энкефалинов происходит при участии ферментов внешней поверхности мембраны: энкефалиназа А, нейтральная эндопептидаза 24.11, КФ 3.4.24.11), аминопептидаза М (КФ 3.4.11.2) и ариламидаза (энкефалинаминопептидаза, КФ 3.4.11.?).

Таким образом, очевидна взаимосвязь и взаимовлияние регуляторных пептидов и протеолитических ферментов в организме: энкефалины способны инициировать эндогенные механизмы регуляции активности ферментов, в свою очередь протеолитические ферменты способны регулировать уровень активных форм пептидов в организме, а также участвовать в «запуске» реакций регуляторного континуума, обуславливая нейромодуляторные свойства и биологическую роль регуляторных пептидов. Поэтому, учитывая тесную взаимосвязь пептидгидролаз с регуляторными пептидами и, в частности - с энкефалинами, можно заключить, что изменение активностей протеолитических ферментов при различных функциональных состояниях организма, развитии патологий и влиянии некоторых экстремальных факторов, является неотъемлемой частью биологического действия этих пептидов, в определенной степени объясняющей индивидуальные особенности их физиологических свойств в организме.

Краткие характеристики карбоксипептидазо-В-подобных ферментов

В связи с участием в процессинге, модификации и инактивации биологически активных пептидов, последнее время интенсивно исследуется семейство основных карбоксипептидаз. Они называются карбоксипептидозо-В-подобными ферментами и их субстратная специфичность связана с отщеплением остатков основных аминокислот с С-конца пептидов предшественников.

В организме млекопитающих обнаружено несколько форм этих ферментов.

Сarboxypeptidase U (M14.009)

Другие названия	HBCPB, TAFI, arginine carboxypeptidase, brain-specific carboxypeptidase B, carboxypeptidase R, plasma carboxypeptidase B, thrombin-activatable fibrinolysis inhibitor
Classification	Clan MC >> Subclan (none) >> Family M14 >> Subfamily A >> M14.009
Activity
Catalytic type	Металл
NC-IUBMB	Subclass 3.4 (Peptidases) >> Sub-subclass 3.4.17 (Metallocarboxypeptidases) (Metallocarboxypeptidases) >> Peptidase 3.4.17.2
Activity status	Человек: активна Крысы: активна
Physiology	Фибринолитическая активность. Деградация активных пептидов и возможно в-амилоида 1-42.
Human genetics
Gene symbol	CPB2
Locus	13q14.11
Mouse genetics
Gene symbol	Cpb2
Position	14:D2
Substrate	Bz-Gly-Arg (hippuryl-Arg) Bz-Gly-Lys (hippuryl-Lys) coagulation factor X light chain coagulation factor X light chain fibrin derived peptide furylacryloyl-Ala-Arg (FAAR) furylacryloyl-Ala-Lys (FAAK) Protein S100-A10

M14.004: carboxypeptidase N

Другие названия	CPN1 g.p. (Homo sapiens), anaphylatoxin inactivator, arginine carboxypeptidase, carboxypeptidase K, creatine kinase conversion factor, kininase I, lysine carboxypeptidase, plasma carboxypeptidase B
Classification	Clan MC >> Subclan (none) >> Family M14 >> Subfamily B >> M14.004
Catalytic type	Metallo
NC-IUBMB	Subclass 3.4 (Peptidases) >> Sub-subclass 3.4.17 (Metallocarboxypeptidases) >> Peptidase 3.4.17.3
Activity status	Крыса: активна Человек: активна
Physiology	Деструкция вазоактивного пептида
Human genetics
Gene symbol	CPN1
Locus	10
Mouse genetics
Gene symbol	Cpn
Position	19:D2
Substrate	Dns-Ala-Arg Hemoglobin subunit alpha furylacryloyl-Ala-Lys Protein S100-A10 C3A anaphylotoxin C4A anaphylotoxin bradykinin

S10.005: serine carboxypeptidase D

Другие названия	carboxypeptidase D, serine, carboxypeptidase II, wheat, carboxypeptidase WII
Классификация	Clan SC >> Subclan (none) >> Family S10 >> Subfamily (none) >> S10.005
Каталитический тип	Serine
NC-IUBMB	Subclass 3.4 (Peptidases) >> Sub-subclass 3.4.16 (Serine-type carboxypeptidases) >> Peptidase 3.4.16.6
Substrate	furylacryloyl-Ala-Lys furylacryloyl-Phe-Leu
Структура 3D

M14.005: carboxypeptidase E

Другие названия	carboxypeptidase H, cobalt-stimulated chromaffin granule carboxypeptidase, crino carboxypeptidase B, enkephalin convertase, insulin granule-associated carboxypeptidase
Классификация	Clan MC >> Subclan (none) >> Family M14 >> Subfamily B >> M14.005
Каталитический центр	Металл
NC-IUBMB	Subclass 3.4 (Peptidases) >> Sub-subclass 3.4.17 (Metallocarboxypeptidases) >> Peptidase 3.4.17.10
Физиология	Участвует в биосинтезе пептидных гормонов и нейротрансмиттеров
Human genetics
Gene symbol	CPE
Locus	4
Mouse genetics
Gene symbol	CPE
Position	8:B3.1

Substrate

Ac-Tyr-Ala-Arg

Bz-Phe-Ala-Arg

Dns-Phe-Ala-Arg

M14.006: carboxypeptidase M

Классификация	Clan MC >> Subclan (none) >> Family M14 >> Subfamily B >> M14.006
Каталитический тип	Metallo
NC-IUBMB	Subclass 3.4 (Peptidases) >> Sub-subclass 3.4.17 (Metallocarboxypeptidases) >> Peptidase 3.4.17.12
Физиология	Деградация биоактивных пептидов
Human genetics
Gene symbol	CPM
Locus	12q15
Mouse genetics
Gene symbol	5730456K23Rik
Position	10:D2
Substrate	Bz-Ala-Lys Bz-Gly-Arg Bz-Gly-Lys Dns-Ala-Arg dynorphin A1-13 [Leu5]-enkephalin-Arg [Met5]-enkephalin-Lys bradykinin

PMSP-ингибируемая карбоксипептидаза

Пока ещё мало изученный фермент, который расщепляет dansyl-Phe-Leu-Arg и отличается по молекулярной массе (100-110 кДа) от других карбоксипептидаз. Он имеет близкий к КР Н оптимум pH = 5,6 - 6,0. Не является метало ферментом, т.к. не ингибируется ЭДТА. Возможная биологическая роль данного фермента, это процессинг нейропептидов, в частности энкефалинов, хотя и этот вопрос довольно спорный. В настоящее время ведутся работы по выделению и очистке этого фермента, с целью изучения кинетики его действия м активного центра.

Заключение

Пептиды -- одна из важнейших систем регуляции ГОМЕОСТАЗА. Этот термин, введенный в 30-х годах американским физиологом У.Кенноном, означает жизненно важное равновесие всех систем организма. По мере усложнения наших представлений о нормальной, а тем более патологической, физиологии это понятие уточнили как ГОМЕОКИНЕЗ, т.е. подвижное равновесие, баланс постоянно меняющихся процессов. Организм соткан из миллионов “гомеокинезиков”. Эта огромная живая галактика определяет функциональный статус всех органов и клеток, которые связуются регуляторными пептидами. Как мировая экономическая и финансовая системы -- множество фирм, производств, заводов, банков, бирж, рынков, магазинов... А между ними -- “конвертируемая валюта” -- нейропептиды.

Все клетки организма постоянно синтезируют и поддерживают определенный, функционально необходимый, уровень регуляторных пептидов. Но когда случаются отклонения от “стационарности”, их биосинтез (в организме в целом или в отдельных его “локусах”) либо усиливается, либо ослабевает. Такие колебания возникают постоянно, если речь идет об адаптивных реакциях (привыкании к новым условиям), выполнении работы (физических или эмоциональных действиях), состоянии предболезни -- когда организм “включает” повышенную защиту от нарушения функционального баланса.

Говоря о заболеваниях мозга, следует заметить, что в последние годы снова появилась информация о пептидах, особо причастных к какой-либо центральной патологии. В этом перечне -- аллергический энцефалитогенный пептид, в-амилоид болезни Альцгеймера, нейротрофический пептид поврежденного мозга и др. Все они выделены из мозга, который охвачен соответствующей патологией, и имитируют таковую при перенесении экспериментальным животным. Для каждого из них установлена точная химическая структура, выявлены специфические рецепторы; но речь не идет о каких-то особых субстанциях. Эти пептиды, как правило, “осколки” миэлина, основного белка мозга, необходимого для его нормальной работы. Их присутствие служит иллюстрацией, как при определенных заболеваниях, вероятно вследствие инверсии нормального биосинтеза пептидов, они становятся фактором “зла”, провоцирующим развитие болезни в новой и еще более пагубной форме. Однако их выявление помогает найти конкретные с точки зрения нейрохимии причины патологии и, значит, подойти к возможности ее предупреждения и лечения.

Таким образом, выявлена огромная, хотя еще почти не изученная роль пептидов в функционировании нервной системы. Они оказывают влияние на возбудимость нервной ткани, выполняя роль медиаторов и участвуя в возвратном ингибировании нейронов выступают в роли модуляторов различных процессов, участвуют в создании межнейрональной связи. Пептиды могут быть не только кратковременными медиаторами химической передачи, но и долговременными регуляторами свойств мембраны и синаптического действия. Их действие на нейрональную активность часто выражается в изменении поведенческих реакций животных. Влияние пептидов на различные функции организма -- на сосудистые реакции, высвобождение моноаминов, болевые реакции организма, терморегуляцию и, наконец, на сон, память и т. д, позволило предположить регулирование важнейших функций животных пептидными факторами. Связь пептидов с трансмиттероактивными аминокислотами и с моноаминами открывает большие возможности для химического кодирования в нервной системе.

Приведенные характеристики биологической активности НП --представителей различный семейств -- далеко не исчерпывают всего многообразия их функций.

В заключение хочется обратиться к перу нейрогистолога, нобелевского лауреата С. Рамон-и-Кахаля, мыслившего образно и точно: “...сад неврологии представляет исследователю захватывающий, ни с чем не сравнимый спектакль. В нем мои эстетические чувства находили полное удовлетворение. Как энтомолог, преследующий ярко окрашенных бабочек, я охотился в красочном саду серого вещества мозга за клетками с их тонкими элегантными формами, таинственными бабочками души, биение которых, быть может, когда-то -- кто знает? -- прояснит тайну духовной жизни”.

Литература

1. Malcolm Dixon, Edwin C. Webb “Enzymes” Longman Group Ltd. 1979.

2. Р. Шмидт, Г. Тевс «Физиология человека» Москва «Мир» 1996

3. Ferdinand Hucho “Neurochemistry. Fundamentals and Concepts” VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim (Federal Republic of Germany), 1986

4. И. П. Ашмарин и соавт. «Нейрохимия» Москва Изд. Института биомедициеской химии РАМН, 1996.

5. М. И. Прохорова «Нейрохимия» Ленинград, 1979

6. А. Уайт, Ф. Хендлер, Э. Смит, Р. Хилл, И. Леман «Основы биохимии» Москва: «Мир», 1981

7. Albert L. Lehninger “Principles of biochemistry” Worth Puplishers, Inc 1982

8. В. К. Плакунов «Основы энзимологии» М.: Логос, 2001.

9. Дж. Г. Николс, А.Р. Мартин, Б. Дж. Валлас, П.А. Фукс «От нейрона к мозгу» М.: Едиториал УРСС, 2003.

10. О.А. Гомазков «Нейропептиды -- универсальные регуляторы. Почему?» //Природа № 4, 1999.

11. Л.Ф. Панченко, Н.В. Митюшина, Н.В. Фирстова, М.Т. Генгин «Метаболизм энкефалинов при различных функциональных и патологических состояниях организма» http://medi.ru/pbmc/8890401.htm

12. А.Н.Вернигора, Н.В. Щетинина, М.Т. Генгин «Исследование активности основных (отщепляющих остатки аргинина и лизина) карбоксипептидаз у крыс разного возраста» // «Биохимия» № 10 т. 61, вып. 10, 1996

13. Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор «Биология» М.: Мир, 1996.

14. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. «Биохимия человека» М.: Мир, 2004

15. A.N. Vernigora, N.N. Nikishin, M.T. Gengin “Proteolytic Enzymes and Regulation of the levels of Active Neuropeptides” //Biochmistry (Moscow), Vol. 60, No. 10, 1995

16. Walker,J.B. & Bajzar,L. Complete inhibition of fibrinolysis by sustained carboxypeptidase B activity. The role and requirement of plasmin inhibitors. J Thromb Haemost (2007)

17. Aviles,F.X. & Vendrell,J. Carboxypeptidase B. In Handbook of Proteolytic Enzymes, 2 edn (Barrett,A.J., Rawlings,N.D. & Woessner,J.F. eds), p.831-833, Elsevier, London (2004)

18. .N. Vernigora, M.T. Gengin «Proteolytic Enzymes: Subcellular Location, Properties, and involvement in Neuropeptide Turnover. A Review» // Biochemistry (Moscow) Vol. 61, No 5. 1996

19. Ferrer,M., Zuck,P., Kolodin,G., Mao,S.S., Peltier,R.R., Bailey,C., Gardell,S.J., Strulovici,B. & Inglese,J. Miniaturizable homogenous time-resolved fluorescence assay for carboxypeptidase B activity. Anal Biochem (2003) 317, 94-98

20. Muller,C.A., Appelros,S., Uhl,W., Buchler,M.W. & Borgstrom,A. Serum levels of procarboxypeptidase B and its activation peptide in patients with acute pancreatitis and non-pancreatic diseases. Gut (2002) 51, 229-235

21. Mock,W.L. & Xu,D.H. Catalytic activity of carboxypeptidase B and of carboxypeptidase Y with anisylazoformyl substrates. Bioorg Med Chem Lett (1999) 9, 187-192

22. А.Н. Вернигора, М.Т. Генгин «Частичная характеристика основной фенилметилсульфонилфторид-ингибируемой карбоксипептидазы из головного мозга кошки» //Биохимия т. 60, вып 11, 1995

23. A.N. Vernigora, N.N. Nikishin, M.T. Gengin «On the interaction between the activities of carboxypeptidase H and angiotensin-converting enzyme» // Biochemistry (Moscow) Vol. 60, No 1, 1995

24. Marzban,L., Soukhatcheva,G. & Verchere,C.B. Role of carboxypeptidase E in processing of pro-islet amyloid polypeptide in {beta}-cells. Endocrinology (2005) 146, 1808-1817

25. Fricker,L.D. Carboxypeptidase E. In Handbook of Proteolytic Enzymes, 2 edn (Barrett,A.J., Rawlings,N.D. & Woessner,J.F. eds), p.840-844, Elsevier, London (2004)

26. Fricker,L.D., Plummer,T.H., Jr. & Snyder,S.H. Enkephalin convertase: potent, selective, and irreversible inhibitors. Biochem Biophys Res Commun (1983) 111, 994-1000

27. Fricker,L.D. & Snyder,S.H. Purification and characterization of enkephalin convertase, an enkephalin-synthesizing carboxypeptidase. J Biol Chem (1983) 258, 10950-10955

28. Fricker,L.D. & Snyder,S.H. Enkephalin convertase: purification and characterization of a specific enkephalin-synthesizing carboxypeptidase localized to adrenal chromaffin granules. Proc Natl Acad Sci U S A (1982) 79, 3886-3890.

Страницы: 1, 2, 3