Учебник для ВУЗОВ

БИОХИМИЯ

Д. Семейства родственных белков

В ходе эволюции в пределах одного биологического вида замены аминокислотных остатков могут приводить к возникновению разных белков, выполняющих родственные функции и имеющих гомологичные последовательности аминокислот. Гомологичными называют последовательности, имеющие много сходных черт. Они содержат во многих положениях одни и те же аминокислоты, называемые инвариантными, а в некоторых положениях могут находиться разные, но близкие по физико-химическим свойствам аминокислотные остатки.

ти белки имеют поразительно схожие конформации: количество и взаиморасположение α-спиралей и/или β-структур, большинство поворотов и изгибов полипептидных цепей сходно или идентично. Такие белки, имеющие гомологичные участки полипептидной цепи, сходную конформацию и родственные функции, выделяют в семейства белков.

Пример семейства родственных белков — семейство миоглобина, куда включены, кроме самого миоглобина, и все виды гемоглобина.

1. Семейство сериновых протеаз

К семейству родственных белков относят сериновые протеазы. Это семейство ферментов, которые используют уникально активированный остаток серина, расположенный в активном центре, для связывания и каталитического гидролиза пептидных связей в белковых субстратах. Мишени для сериновых протеаз — специфические пептидные связи в белках (часто в других сериновых протеазах).

Для всех белков этого семейства характерно наличие в активном центре остатков Сер₁₉₅, Гис₅₇, Асп₁₀₂ (эту нумерацию используют независимо от их точного расположения в первичной структуре определённых сериновых протеаз). Выявлена также высокая схожесть их пространственных структур, несмотря на то, что только в 40% положений они содержат идентичные аминокислоты (рис. 1-44). Каталитический участок сериновых протеаз расположен в расщелине между двумя доменами.

Рис. 1-44. Пространственные структуры эластазы (А) и химотрипсина (Б)

Некоторые аминокислотные замены привели к изменению субстратной специфичности этих белков и к возникновению функционального многообразия внутри этого семейства. Так, пищеварительные сериновые протеазы участвуют в переваривании (гидролитическом расщеплении пептидных связей) денатурированных пищевых белков. К ним относят трипсин, химотрипсин, эластазу, но каждый из этих ферментов предпочитает разрывать пептидные связи, образованные определёнными аминокислотами.

Ещё большей субстратной специфичностью обладают сериновые протеазы, участвующие в тщательно контролируемых физиологических процессах, таких как активация каскада белков свёртывания крови, фибринолиза, активация белков системы комплемента, образования белковых гормонов. В процессе активации нативных белков сериновые протеазы гидролизуют одну или две особенные пептидные связи из сотен связей, имеющихся в белковом субстрате. Это связано с тем, что в нативном белке фермент узнаёт не только аминокислоты, непосредственно формирующие пептидную связь, но и некоторые аминокислотные остатки, окружающие связь, подвергающуюся ферментативному гидролизу.

Более подробно о сериновых протеазах можно прочесть в разделах 9, 14.

2. Суперсемейство иммуноглобулинов

В работе иммунной системы огромную роль играют белки, относящиеся к суперсемейству иммуноглобулинов. Это суперсемейство включает по крайней мере три больших семейства белков, участвующих в иммунной защите организма: семейство иммуноглобулинов, семейство Т-клеточных антигенраспознающих рецепторов и белки главного комплекса гистосовместимости I и II классов, которые в литературе обозначают МНС (от англ. major histocompatibility complex). В это суперсемейство включено также семейство адгезивных белков, участвующих в узнавании определённых типов клеток и их межклеточных взаимодействиях.

Основной критерий включения белков в суперсемейство иммуноглобулинов — их доменная организация, достоверная гомология аминокислотных последовательностей и пространственных структур отдельных доменов. Кроме того, белки этого суперсемейства имеют схожие функции: иммуноглобулины взаимодействуют с чужеродными структурами, находящимися в крови, лимфе, межклеточной жидкости или секретах желёз, а рецепторы Т-лимфоцитов и белки главного комплекса гистосовместимости — с антигенами, находящимися на поверхности клеток данного организма.

3. Семейство иммуноглобулинов

Иммуноглобулины, или антитела, — специфические белки, вырабатываемые В-лимфоцитами в ответ на попадание в организм чужеродных структур, называемых антигенами. В организме человека вырабатывается около 10⁷ клонов В-лимфоцитов, каждый из которых специализирован на выработке одного из 10⁷ видов иммуноглобулинов.

Все иммуноглобулины характеризуются общим планом строения, который мы рассмотрим на примере строения IgG.

Молекула IgG состоит из четырёх полипептидных цепей: двух идентичных лёгких (L — от англ. light), содержащих около 220 аминокислотных остатков, и двух тяжёлых (Н — от англ. heavy), состоящих из 440 аминокислот каждая. Все 4 цепи соединены друг с другом множеством нековалентных и четырьмя дисульфид-ными связями. Поэтому молекулу IgG относят к мономерам.

Лёгкие цепи IgG состоят из 2 доменов: вариабельного (VL), находящегося в N-концевой области полипептидной цепи, и константного (C₁), расположенного на С-конце. Каждый из доменов состоит из 2 слоёв с β -складчатой структурой, где участки полипептидной цепи лежат антипараллельно. β -Слои связаны ковалентно дисульфидной связью примерно в середине домена (рис. 1-45).

Рис. 1-45. Строение иммуноглобулина G

Тяжёлые цепи IgG имеют 4 домена: один вариабельный (V_H), находящийся на N-конце, и три константных (С_Н1, С_Н2, С_H3). Домены тяжёлых цепей IgG имеют гомологичное строение с доменами лёгких цепей. Между двумя константными доменами тяжёлых цепей С_Н1 и С_Н2 есть участок, содержащий большое количество остатков пролина, которые препятствуют формированию вторичной структуры и взаимодействию соседних Н-цепей на этом отрезке. Этот участок называют «шарнирной областью»; он придаёт молекуле гибкость.

Между вариабельными доменами тяжёлых и лёгких цепей находятся два идентичных участка, связывающих два одинаковых специфических антигена; поэтому такие антитела часто называют «биваленты». В связывании антигена с антителом участвует не вся аминокислотная последовательность вариабельных доменов обеих цепей, а всего лишь 20—30 аминокислот, расположенных в гипервариабельных областях каждой цепи. Именно эти области определяют уникальные способности каждого клона антител взаимодействовать с соответствующим (комплементарным) антигеном.

Основные функции антител — обнаружение и связывание чужеродных антигенов, находящихся в организме вне его клеток (в крови, лимфе, межклеточной жидкости, в слизистых секретах). Это происходит с помощью специфических антигенсвязывающих участков разных клонов иммуноглобулинов. Кроме того, благодаря связыванию антигена с антителом облегчается процесс дальнейшего разрушения чужеродных веществ. Специфичность пути разрушения комплекса антиген—антитело зависит от класса антител.

Классы иммуноглобулинов. Существует 5 классов тяжёлых цепей иммуноглобулинов, отличающихся по строению константных доменов: α, δ, &epsilon, γ и μ. В соответствии с ними различают 5 классов иммуноглобулинов: A, D, Е, G и М. Особенности строения тяжёлых цепей придают их «шарнирным участкам» и С-кон-цевым областям характерную для каждого класса конформацию. Связывание антигена с антителом изменяет конформацию константных доменов тяжёлых цепей, что определяет путь разрушения комплекса в организме (связывание с белками системы комплемента или поглощение комплекса фагоцитирующими клетками).

Иммуноглобулины М — первый класс антител, синтезирующийся в развивающихся В-лим-фоцитах. Различают 2 формы иммуноглобулинов М: мономерная, мембранно-связанная форма и пентамерная, секретируемая В-лимфо-цитами в кровь. Мембранно-связанная форма иммуноглобулинов М. Созревающие В-лимфоциты синтезируют мономерные

бивалентные молекулы IgM, по структуре похожие на рассматриваемые выше IgG, которые встраиваются в плазматическую мембрану клеток и играют роль первых анти-ген-распознающих рецепторов. Прикрепление IgM к мембране осуществляется с помощью гидрофобного участка, находящегося в С-конце-вой («хвостовой») области тяжёлых цепей, содержащей 25 гидрофобных аминокислотных остатков.

Взаимодействие антигена с рецептором на поверхности В-лимфоцита вызывает его размножение и образование целого клона лимфоцитов, происходящих из одной, стимулированной антигеном клетки. Этот клон В-лимфоцитов будет вырабатывать иммуноглобулины с одинаковыми антигенсвязывающими участками. Однако В-лимфоциты способны переключаться на выработку других классов антител.

Секреторная форма иммуноглобулинов М. Когда В-лимфоциты впервые встречаются в жидкостях организма с неизвестным ранее антигеном, они синтезируют и секретируют в кровь IgM, которые содержат пять мономерных субъединиц, связанных друг с другом дисульфидны-ми связями и дополнительной полипептидной J-цепью (рис. 1-46).

Рис. 1-46. Строение пентамерной секреторной молекулы иммуноглобулина М

В тяжёлых цепях их мономеров отсутствует гидрофобная «хвостовая» часть. Пентамерная молекула содержит 10 участков связывания с антигеном, что облегчает вероятность прикрепления неизвестного ранее антигена к иммуноглобулину (рис. 1-47).

Рис. 1-47. Связывание IgM с антигенами бактериальных клеток и их разрушение активированными белками системы комплемента

Взаимодействие антигена с IgM изменяет его конформацию и индуцирует связывание его «хвостовой» области с первым компонентом системы комплемента. Если антиген расположен на поверхности микроорганизма, активирование системы комплемента вызывает нарушение целостности клеточной мембраны и гибель бактериальной клетки.

Иммуноглобулины G. В количественном отношении IgG доминируют в крови и составляют около 75% от общего количества этих белков. Строение IgG подробно описано выше. В крови IgG обнаруживают только в мономерной форме; он секретируется активированными В-лимфоцитами в больших количествах при вторичном иммунном ответе, когда антиген повторно попадает в организм.

У человека обнаружено 4 подкласса IgG: IgGg₁, IgGg₂, IgGg₃, IgGg₄. Порядковый номер указывает на количественное содержание каждого подкласса в сыворотке (в наибольшем количестве содержится IgGg₁, а в наименьшем — IgGg₄). Степень гомологии между этими подклассами очень высока (около 90—95%).

IgG не только эффективно связывают и инактивируют чужеродные молекулы и клетки, попавшие в организм, но также облегчают их дальнейшее уничтожение. Конформационные изменения в «хвостовой» области IgG после его взаимодействия с антигеном приводят к связыванию и активации белков системы комплемента. Кроме того, С-концевая область IgG способна взаимодействовать со специфическими рецепторами макрофагов и нейтрофилов, что приводит к фагоцитозу комплексов антиген-антитело и разрушению их в фагосомах (рис. 1-48).

Рис. 1-48. Фагоцитоз комплекса антиген-антитело нейтрофилом. А - взаимодействие бактерии, покрытой IgG, с рецепторами нейтрофилов; Б - поглощение бактерии нейтрофилом; В - переваривание бактерии внутри фагосомы нейтрофила

IgG — единственный класс антител, способный проникать через плацентарный барьер и обеспечивать внутриутробную защиту плода от инфекций.

Иммуноглобулины А. Основной класс антител, присутствующий в секретах желёз организма (слюны, молока, пищеварительного сока, секретов дыхательных путей). В сыворотке крови его содержание не превышает 10—15% от общего количества иммуноглобулинов. Мономерная форма по строению напоминает IgG. Однако в секретах IgA находится в основном в форме димера, где мономеры соединены дополнительной пептидной цепью J (рис. 1-49).

Рис. 1-49. Строение димерной молекулы иммуноглобулина А

На базальной поверхности эпителиальных клеток димер IgA специфически взаимодействует с белками клеточной поверхности, называемыми секреторным компонентом. Образующийся комплекс посредством эндоцитоза поглощается внутрь клетки и перемещается к апикальной части. Здесь комплекс подвергается действию протеолитических ферментов, и свободный димер высвобождается во внеклеточное пространство (рис. 1-50).

Рис. 1-50. Транспорт иммуноглобулинов А через эпителиальные клетки в протоки желёз

Образующийся при взаимодействии IgA с антигеном комплекс не взаимодействует с белками системы комплемента и фагоцитирующими клетками, но препятствует прикреплению антигенов к поверхности эпителиальных клеток и проникновению их в организм.

Иммуноглобулины Е. Содержание этого класса иммуноглобулинов в крови крайне мало. IgE — мономеры, но, в отличие от IgG, их тяжёлые цепи е содержат не 3, а 4 константных домена. После синтеза и секреции в кровь В-лимфоцитами IgE связываются своими С-концевыми участками с соответствующими рецепторами на поверхности тучных клеток и базофилов. В результате они становятся рецепторами антигенов на поверхности данных клеток (рис. 1-51).

Рис. 1-51. Выброс биологически активных веществ тучной клеткой в результате присоединения антигена к фиксированным на её поверхности IgE

После присоединения антигена хотя бы к двум антигенсвязывающим участкам двух соседних IgE клетка получает сигнал к секреции биологически активных веществ (серотонина, гистамина), хранящихся в секреторных пузырьках. Выброс этих веществ в значительной мере ответственен за развитие воспалительной реакции, а также таких аллергических реакций, как бронхиальная астма, крапивница, сенная лихорадка. Увеличение количества IgE может предшествовать развитию аллергических реакций*

Иммуноглобулины D. IgD обнаружены в крови в очень малых количествах. Мономерные белки играют роль рецепторов В-лимфоцитов; других функций у IgD пока не выявлено.

4. Семейство Т-клеточных антигенраспознающих рецепторов

Если антитела, вырабатываемые В-лимфоцитами, связывают антигены в жидкостях организма (так называемый гуморальный иммунитет), то Т-лимфоциты взаимодействуют с антигенами на поверхности заражённых вирусами и изменённых в результате опухолевой трансформации собственных клеток организма (клеточный иммунитет). Т-лимфоциты узнают антигены только в комплексе с молекулами МНС I или II класса, также присутствующими на клеточной поверхности.

Рецепторы Т-лимфоцитов — гетеродимеры, т.е. состоят из α- и β-цепей. Каждая цепь имеет два иммуноглобулиноподобных домена: вариабельный (V) и константный (С) (рис. 1-52). С-концевые участки каждой цепи встроены в плазматическую мембрану. Единственный антигенсвязывающий участок располагается между двумя вариабельными доменами Vα и Vβ. Количество рецепторов Т-лимфоцитов с разными антигенсвязывающи-ми участками сопоставимо с разнообразием иммуноглобулинов.

Рис. 1-52. Строение рецептора Т-лимфоцитов

Семейство белков главного комплекса гистосовместимости

Белки главного комплекса гистосовместимости были открыты при изучении вопросов внутривидовой пересадки тканей, откуда и произошло их название. Их называют также белками МНС (см. выше), или белками HLA (от англ. human lymphocyte antigen — человеческие лимфоцитарные антигены), так как впервые они были обнаружены на лимфоцитах человека.

Существует два основных класса молекул МНС: I и II. Молекулы МНС класса I расположены на поверхности практически всех клеток организма человека, а белки МНС класса II только на определённых клетках иммунной системы, называемых антигенпредставляющими клетками. К ним, в первую очередь, относят макрофаги и В-лимфоциты, контактировавшие с антигеном.

Молекулы МНС класса I — гетеродимеры. Они имеют одну полипептидную a-цепь, связанную нековалентными связями с небольшим внеклеточным белком р2-микроглобулином. Полипептидная a-цепь имеет три внеклеточных глобулярных домена (α₁, α₂, α₃), трансмембранный участок и карбоксильный конец, локализованный в цитоплазме (рис. 1-53, А). α₃-Домен и β₂-микроглобулин имеют конформацию, напоминающую структуру иммуноглобулинов. Домены α₁ и α₂ содержат вариабельные участки, способные связывать «развёрнутый» антиген (чаще всего пептидный фрагмент чужеродного белка), расположенный на поверхности клеток.

Рис. 1-53. Строение белков главного комплекса гистосовместимости: МНС класса I (А) и МНС класса II (Б)

Молекулы МНС класса II — также гетеродимеры. Они состоят из двух полипептидных цепей — α и β, имеющих по одному консервативному иммуноглобулинподобному домену и по одному вариабельному домену на N-концевых участках. Связывание антигенов происходит в области вариабельных доменов α- и β-цепей (рис. 1-53, Б).

Чужеродные белки в клетке человека (например, белки вирусных частиц), в лизосомах подвергаются ограниченному протеолизу, и небольшие фрагменты этих белков вместе с белками МНС класса I или II экспонируются на поверхности клеточной мембраны.

Комплексы пептид—белок МНС узнаются рецепторами Т-лимфоцитов. В результате происходит специфическое взаимодействие (рис. 1-54), активация Т-лимфоцита и развитие иммунной реакции. Так, взаимодействие цитотоксического Т-лимфоцита с комплексом антиген—МНС I на поверхности заражённой вирусом клетки приводит к высвобождению лимфоцитом специальных белков, вызывающих повреждение и гибель заражённой клетки.

Рис. 1-54. Специфическое взаимодействие рецептора цито-токсического Т-лимфоцита с комплексом антиген-МНС I белком