УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2008, том 39, № 1, с. 90-106
УДК 577.154.4:599.735
ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ИЗОЗИМОВ КАРБОАНГИДРАЗЫ И ИХ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ В ЖЕЛУДОЧНО-КИШЕЧНОМ ТРАКТЕ
ЖВАЧНЫХ ЖИВОТНЫХ
© 2008 г. Э. А. Ефимцева, Т. И. Челпанова
Институт физиологии Коми научного центра Уральского отделения РАН, Сыктывкар
В обзоре приведены новые сведения о физико-химических, биохимических свойствах и функциональной специфичности изозимов карбоангидразы человека и животных. Обобщены литературные данные по составу и распределению изозимов карбоангидразы в тканях отделов желудочно-кишечного тракта жвачных животных. Рассматривается участие изоформ фермента в регуляции кислотно-щелочного баланса в организме жвачных животных.
Ключевые слова: карбоангидраза, изозимы, распределение, желудочно-кишечный тракт, жвачные животные.
ВВЕДЕНИЕ
Карбоангидраза (карбонат-гидро-лиаза, КА, КФ 4.2.1.1) - цинксодержащий фермент, ответственный в организме за интенсивность взаимопревращений диоксида углерода и бикарбоната
(С02 + Н20 -—- НС 03 + Н+). Основную функцию фермента в организме человека и животных связывают с поддержанием кислотно-щелочного баланса (КЩБ). Карбоангидраза обнаруживается почти во всех органах, в том числе и в тканях желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), где интенсивно идут процессы всасывания питательных веществ и воды, обмена различных минеральных и органических ионов [3, 13, 124, 149]. Полагают, что ЖКТ у жвачных животных наряду с другими системами принимает активное участие в регуляции кислотно-щелочного состояния (КЩС) внутренней среды организма. У домашних и диких жвачных животных эта система способна компенсировать периодически возникающие сдвиги в балансе ионов, связанные с сезонной сменой кормов в питании. Эксперименты по ингибированию активности КА специфическим ингибитором фермента ацетазоламидом у жвачных животных показали заметное уменьшение ионных токов через эпителий преджелудков во внутреннюю среду организма; фермент стали рассматривать как одну из молекулярных структур, принимающих участие в транспорте ионов [3, 6, 12].
Активность фермента регулируется как на биохимическом, так и на генетическом уровне. В настоящее время обнаружено 14 изозимов (изо-ферментов, изоформ) КА, которые являются продуктами синтеза независимых генов и отличаются друг от друга по субклеточной локализации,
распределению в тканях, физико-химическим и функциональным свойствам [164, 166]. В тканях отдельных органов могут присутствовать один или несколько изозимов КА в зависимости от тех метаболических процессов, которые необходимы для осуществления специфических физиологических функций органов.
Результаты исследования биохимической и генетической регуляции активности КА в тканях различных отделов ЖКТ получены в основном на моногастричных животных [13, 49, 79, 124]. В настоящем обзоре обобщены и систематизированы представленные в литературе новые сведения о ферменте и приведены данные об активности и распределении изоформ в ЖКТ у полигастрич-ных животных, для которых КА имеет особое значение в связи с симбионтным типом пищеварения. Такая информация может быть полезной для представления функциональной роли отдельных изозимов КА, как составных элементов эволюци-онно отлаженного механизма, регулирующего ионный гомеостаз внутренней среды и обеспечивающего адаптацию домашних и диких жвачных животных к алиментарному фактору.
БИОХИМИЧЕСКИЕ, ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА И ТКАНЕВАЯ ЛОКАЛИЗАЦИЯ ИЗОЗИМОВ КАРБОАНГИДРАЗЫ МЛЕКОПИТАЮЩИХ
Долгое время считали, что физиологическая роль КА заключается только в поддержании го-меостаза крови путем образования бикарбонат-ной буферной системы [4]. До начала 1960-х годов полагали, что фермент существует в виде одной формы [110]. После открытия молекулярных
форм фермента исследователи пытаются связать карбоангидразную активность с изозимами, из активности которых складывается общий пул фермента в ткани. Для этого привлекаются эффективные способы гистохимического выявления изозимов в тканевых срезах, обнаружение их с помощью реакций иммунопреципитации с высокоспецифичными антителами, определение активности изоформ на основе различных принципов регистрации, оценки вклада отдельных изозимов в общий пул активности с помощью селективных субстратов и ингибиторов. Кроме того, разрабатываются процедуры выделения и очистки отдельных изозимов из различных тканевых источников с последующим изучением биохимических свойств очищенных ферментных препаратов. Однако приведенные в литературе сведения о распределении и количестве фермента, свойствах, содержании и составе изозимов в тканях человека и животных весьма противоречивы. Функции отдельных изозимов представляются нередко гипотетическими. Идентификация в тканях млекопитающих отдельных изоформ КА остается достаточно сложной задачей. В настоящее время охарактеризовано более десяти функционально различных изозимов, цифровые обозначения которым присвоены в порядке их открытия (CA I - CA XIV).
Цитоплазматические из озимы I, II, III, VII, XIII. Открытие двух первых изозим ов пр оизошло при исследовании эритроцитов, оказавшихся наиболее богатым источником фермента [116]. С помощью различных методов фракционирования из гемолизатов были выделены кинетически различающиеся изоформы фермента: B и C [52, 103, 177], которые впоследствии стали обозначать соответственно как CA I и CA II [163]. Эти изозимы изучены более детально по сравнению с другими, получены из эритроцитов человека и некоторых животных в очищенном кристаллическом состоянии и предложены для исследователей в виде коммерческих препаратов фирмами Sigma и Ald-rich. Имеются противоречивые сведения о количественном соотношении и активности этих изоформ в эритроцитах животных, в том числе и у жвачных [14, 76, 131, 137, 162]. Физиологическая роль CA I в эритроцитах до сих пор окончательно не выяснена. Полагают, что достаточно высокая активность CA II обеспечивает основной оборот диоксида углерода при дыхании [161].
Главный отличительный признак изозима I -его низкая СО2-гидратазная активность, поэтому данную изоформу называют "низкоактивной" в отличие от "высокоактивной" CA II, и такие названия часто используются в литературе 1970-80-х годов [37, 39]. Считают, что изозимы CA I и CA II произошли в результате дупликации гена-предшественника и практически не различаются по первичной структуре, на что указывают 60% их
гомологии по аминокислотному составу и сходство третичной структуры [166]. В то же время кристаллографическим анализом были выявлены различия в структуре активного центра этих изозимов: СА I обладает большим количеством остатков гистидина, из которых №$-200 играет роль акцептора протонов (протонного челнока) [95] и пролонгирует период жизни комплекса фермент-бикарбонат [57], тогда как у СА II роль протонного челнока выполняет И1$-64 [150, 168]. Кроме того, "низкоактивный" изозим СА I у человека, обезьяны, лошади, морской свинки содержит в 1.5 раза больше остатков серина, чем СА II [53, 102, 165]. Такие структурные особенности СА I свидетельствуют о том, что этот изозим в какой-то мере сходен с гидролазами эфиров карбо-новых кислот (эстеразами) (КФ. 3.1.1.), для молекул которых также характерны большое содержание серина и наличие гистидина в положении 200 в активном центре, что обусловливает их каталитические свойства [21]. Исследователи [165, 167], открывшие полиморфизм изозимов СА I и СА II у нескольких видов приматов, предположили, что естественный отбор, оказывая на протяжении длительного времени разнонаправленное действие на данные изозимы, способствовал увеличению С02-гидратазной активности у одного изозима - СА II и одновременно, по-видимому, благоприятствовал увеличению эстеразной активности у другого изозима - СА I.
Для гена СА I млекопитающих характерно наличие большого интрона за некодирующим экзо-ном, который делает его более протяженным - в 3-5 раз длиннее генов, кодирующих другие изозимы [31]. Кроме того, ген СА I имеет два тканеспе-цифических промотора - эритроцитарный и тканевой; второй регулирует экспрессию гена только в ткани толстого кишечника [27, 68]. По аминокислотной последовательности ген СА I овцы на 89.6% идентичен гену СА I крупного рогатого скота и на 84.7% - гену СА I человека [87].
Предполагают, что изозим СА II эволюционно более ранний белок, чем СА I, и он представляет собой более консервативную изоформу, тогда как изозим СА I более вариабелен в генетическом отношении и изменчив по каталитическим и другим биохимическим характеристикам [167]. Несмотря на то, что оба изозима являются глобулярными белками и имеют одинаковый молекулярный вес - около 30 кДа, между этими изоформами выявлены различия по изоэлектрическим точкам приблизительно на две-три единицы рН, что позволяет успешно разделять их методами электрофореза и ионообменной хроматографии [37].
Между изозимами СА I и СА II наблюдаются различия по субстратному предпочтению и чувствительности к ингибиторам [35, 37]. Высокое значение величины константы Михаэли са (Кт),
определенное у СА I по отношению к диоксиду углерода, указывает на то, что данный изозим может быть эффективным лишь при низких концентрациях этого физиологического субстрата. В то же время пока не известны другие возможные нативные субстраты, которые бы утилизовались СА I с высокими каталитическими скоростями [76, 110]. В ряде работ отмечают, что некоторые изозимы КА могут быть вовлечены в реакции гидролиза соединений с эфирной связью и в реакции гидратации альдегидов, т.е. обладать эстераз-ной активностью [110, 129, 130, 143, 163]. Некоторые искусственные ароматические эфиры успешно используются в качестве субстратов при гистохимическом выявлении изозимов, а также для дифференциации в тканях СА I и СА II: умбе-риферилацетат гидролизуется только изозимом СА I, а гидролиз флуоресцеиндиацетата катализируется изозимом СА II [82].
Изозим СА I во много раз устойчивее к специфичному ингибитору КА ацетазоламиду, чем СА II [111]. Некоторые ингибиторы избирательно действуют на активность этих изоформ: на СА I - ни-котинат ксантинола [134] и имидазол [35], а на СА II - ф
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.