Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
НАЦIОНАЛЬНА АКАДЕМIЯ НАУК УКРАЇНИ
IНСТИТУТ БIОХIМIЇ iм. О.В.ПАЛЛАДIНА
КАПЛЯ
ОЛЕКСАНДР АНДРIЙОВИЧ
УДК 577.152.361
CТРУКТУРНО-ФУНКЦIОНАЛЬНI ВЛАСТИВОСТI
IЗОФОРМ КАТАЛIТИЧНОЇ СУБОДИНИЦI Nа+,К+-АТР-ази
ПРИ МЕМБРАНОТРОПНИХ ВПЛИВАХ
03.00.04 - бiохiмiя
АВТОРЕФЕРАТ
дисертацiї на здобуття наукового ступеня
доктора бiологiчних наук
КИЇВ - 1999
Дисертацiєю є рукопис.
Робота виконана в лабораторiї транспортних АТФаз Iнституту бiохiмiї iм.О.В.Палладiна Нацiональної академiї наук України
|
Офiцiйнi опоненти: |
доктор бiологiчних наук, старший науковий спiвробiтник Малишева |
|
Маргарита Костянтинiвна (завiдувач вiддiлу нейрохiмiї Iнституту |
|
|
фізіології ім. О.О.Богомольця НАН України); |
|
|
доктор бiологiчних наук, старший науковий спiвробiтник Лiтошенко |
|
|
Олександр Якович (керiвник лабораторiї молекулярної генетики |
|
|
Інституту геронтологiї АМН України); |
|
|
доктор бiологiчних наук, професор Усатюк Петро Володимирович |
|
|
(професор кафедри бiохiмiї i бiотехнологiї Нацiонального аграрного |
|
|
унiверситету Кабiнету Мiнiстрiв України). |
|
|
Провiдна установа - |
Київський нацiональний унiверситет iм.Тараса Шевченка,каф.біохімії |
Захист вiдбудеться "27 "вересня 1999 року о 14 годинi на засiданнi спецiалiзованої вченої ради Д 26.240.01 в Iнститутi бiохi мiї iм. О.В.Палладiна НАН України за адресою: 252601, м.Київ-30, вул. Леонтовича,9.
З дисертацiєю можна ознайомитися в бiблiотецi Iнституту бiохiмiї ім. О.В. Палладiна Нацiональної академiї наук України.
Автореферат розiсланий "26"серпня 1999 року.
Вчений секретар
спецiалiзованої вченої ради О.В.Кiрсенко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальнiсть теми. Фермент Nа+,К+-АТР-аза (АТР-фосфогiдролаза, КФ 3.6.1.37), інтегральний білок плазматичних мембран клітин еукаріот, здійснює спряжений з гідролізом АТР протинаправлений трансмембранний перенос Nа+ та К+ і тим самим забезпечує підтримання електрохімічного і осмотичного градієнтів одновалентних іонів, необхідних для нормального функціонування клітин.Фермент відіграє головну роль в реалізації багаточисельних клітинних функцій та процесів, які залежать від існування іонних градієнтів [Болдырев А.А.,Мельгунов В.И.,1985].
На відміну від інших АТР-аз Р-типу Nа+,К+-АТР-аза поєднує в єдиній молекулі поряд з транспортно-гідролітичною і рецепторну функцію [Anner B.M.,1985], специфічно взаємодіючи з екзогенними інгібіторами рослинного походження — серцевими глікозидами, або їх ендогенними аналогами [Doris P.A.,1994; Martinka E.,1995; McDonough A.A.et al.,1995].
На цей час широкий розвиток набули дослідження по з'ясуванню структурно-функціональних особливостей ізоформ Nа+,К+-АТР-ази, якi,очевидно, забезпечують специфічні потреби клітин в регуляції іонного транспорту [Sweadner K.J.,1989; Vasilets L.A.,Schwarz W.,1993;Pressley T.A.,1996].Незважаючи на встановлену бiохiмiчну i в рядi випадкiв функцiональну специфiчнiсть iзоформ, на цей час залишається вiдкритим питання про те, якi особливостi структурної органiзацiї в мембранi або во взаємодiї з лiпiдним оточенням обумовлюють їх тканиноспецифiчну функцiональну спецiалiзацiю.
В зв'язку з інтегральною структурою і фундаментальною функцією ферменту Nа+,К+-АТР-аза залучена до розвитку багатьох, в тому числi i нейрональних, клітинних патологій, які супроводжуються cтруктурною перебудовою мембран [Дворецкий А.И. и др.,1990;Болдырев А.,1992; Болдырев А.А.,Куклей М.Л.,1996; Волков Г.Л.,1996].
Один з універсальних шляхiв біопошкодження мембран реалізується через модифiкацiю їх лiпiдного компонента. Фермент Nа+,К+-АТР-аза як конформацiйно-лабiльний iнтегральний бiлок характеризується високою регуляторною залежнiстю вiд стану лiпiдної фази мембрани [Дергунов А.Д. и др.,1984;Robinson J.D.,Pratap P.R., 1993]. Окремi данi свiдчать про залежнiсть функцiональних властивостей iзоформ Nа+,К+-АТР-ази вiд фiзико-хiмiчних особливостей їх лiпiдного оточення в мембранi [Matsuda T.,Iwata H.,1986;1988; Iwata H.et al.,1988;Sweadner K.J.,1989].
В зв'язку з цим набуває актуальностi вивчення iндивiдуальної чутливостi iзоформ Nа+,К+-АТР-ази до порушень структурного стану мембрани. Такi дослiдження важливi для з'ясування закономiрностей,якi обумовлюють залежнiсть функцiональних властивостей iзоформ вiд регуляторного i деструктивного впливiв на мембрану ендогенних ефекторiв та екстремальних факторiв. Бiльш того,вони є основоположними при вивченнi механiзмiв, якi забезпечують адаптивну стiйкiсть iзоформ Nа+,К+-АТР-ази до змiн фiзико-хiмiчних властивостей плазматичної (зокрема нейрональної) мембрани при фiзiологiчних та патологiчних станах органiзму.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в лабораторiї транспортних АТФаз у вiдповiдностi з планами науково-дослiдних робiт Iнституту бiохiмiї iм.О.В.Пал ладiна НАН України.
Мета i задачi дослiдження. Мета роботи полягала в дослiдженнi чутливостi рiзних рецепторних типiв iзоформ каталiтичної субоди ницi Nа+,К+-АТР-ази мозку до мембранотропних впливiв in vitro для з'ясування закономiрностей їх функцiональних порушень в мембранi.
Для досягнення мети були поставленi такi задачi:
1. Iдентифiкувати iзоформи -субодиницi Nа+,К+-АТР-ази в мембранних препаратах ферменту мозку на пiдставi детекцiї каталiтичних фосфоiнтермедiатiв ферменту. За допомогою iнгiбiторного аналiзу диференцiювати ферментативну активнiсть iзоформ в препаратах, дослiдити видову специфiчнiсть рецепторних типiв ферменту, охарактеризувати їх деякi структурно-функцiональнi властивостi та активнiсть в постнатальному онтогенезi щурiв.
2. Вивчити електрофоретичнi властивостi гiдрофобних бiлкiв iзоформ каталiтичних полiпептидiв Nа+,К+-АТР-ази, якi виявляються термообробкою препаратiв в присутностi DS-Na.
3. Вивчити закономiрностi термоiнактивацii iзоформ каталiтич ної субодиницi Nа+,К+-АТР-ази мозку та нирок.
4. Вивчити чутливiсть iзоформ каталiтичной субодиницi Nа+,К+-АТР-ази мозку до мембранотропної дiї фосфолiпази А2 з отрути середньоазiатської кобри.
5. Вивчити чутливiсть iзоформ каталiтичної субодиницi Nа+,К+-АТР-ази до мембранотропної дiї анiонного детергенту DS-Na в умовах змiни фiзико-хiмiчних властивостей плазматичних мембран клiтин головного мозку in vitro та в постнатальний перiод у щурiв.
6. Вивчити чутливiсть iзоформ каталiтичної субодиницi Nа+,К+-АТР-ази з рiзною SH-залежнiстю до неферментативної окисної модифiкацiї мембран.
7. Виявити закономiрностi, якi визначають специфiку чутливостi iзоформ каталитичної субодиницi мембранозв'язаної Nа+,К+-АТР-ази мозку до мембранотропних впливiв.
Наукова новизна одержаних результатiв. В результатi проведе них дослiджень встановлено, що iзоформи каталiтичної субодиницi мембранозв'язаної Nа+,К+-АТР-ази мозку виявляють рiзну стiйкiсть до дестабiлiзуючих мембрану впливiв in vitro.
Особливостi електрофоретичних властивостей в полiакриламiдному гелi в присутностi DS-Na гiдрофобних бiлкiв iзоформ -субоди ницi Nа+,К+-АТР-ази мозку пiсля солюбiлiзацiї препаратiв при тер мообробцi (1000C) пiдтверджують iснування вiдмiнностей бiлково-детергентних взаємодiй для iзоформ.
Встановлено, що 1-iзоформа Nа+,К+-АТР-ази мозку має бiльш високу термостабiльнiсть (при 50-550С) у порiвняннi з +. Спе цифiка термочутливостi iзоформ не визначається конформацiйним станом ферменту (Na+-та К+-конформацiї). Данi свiдчать про вiдмiнностi структурної стiйкостi в мембранi iзоформ Nа+,К+-АТР-ази мозку та нирок.
Виявлено однонаправленiсть специфiки мембранотропних впливiв фосфолiпази А2 з отрути середньоазiатської кобри та DS-Na на активнiсть iзоформ в мембранних препаратах Nа+,К+-АТР-ази кори го ловного мозку щура. В умовах помiрної iнактивацiї Nа+,К+-АТР-ази фосфолiпазою А2 ефект зниження чутливостi ферменту до уабаїну усувається обробкою препаратiв сироватковим альбумiном для вилу чення вiльних жирних кислот та в умовах iнгiбування, оптимальних для зв'язування глiкозида. При подальшiй iнактивацiї Nа+,К+-АТР-ази в мембранi 1-iзоформа iнактивується швидше, нiж +. Вперше встановлено, що необоротна iнактивацiя Nа+,К+-АТР-ази DS-Na, що превалює для 1-iзоформи, супроводжується бiльш ефективним її вилученням з мембран в препаратах мiкросом сiрої речо вини мозку щура та бика. Аналогiчна специфiка iнактивацiї iзоформ детергентом характерна також для Nа+,К+-АТР-ази мозочка, но не виявляється у препаратах з довгастого мозку. Вiдмiнностi в чутливостi iзоформ до DS-Na усуваються в умовах температурної модифiкацiї мембранного матрiксу (200C370C) та при закисленнi середовища (pH 7,56,2).
Вперше встановлено, що окисне iнгiбування iзоформ Nа+,К+-АТР ази сiрої речовини мозку щура в системi "Fe2++аскорбат" вище для + у порiвняннi з 1, що вiдповiдає SH-залежностi ферментативної активностi iзоформ. Специфiка iнактивацiї iзоформ не залежить вiд пероксидної деструкцiї лiпiдного компонента мембрани. Данi свiдчать на користь того, що бiлкова молекула нейрональної Nа+,К+-АТР-ази є безпосередньою мiшенню iзоформо-специфiчної дiї оксидантiв.
Сформульована гiпотеза про iснування структурних вiдмiнностей бiлково-лiпiдних комплексiв iзоформ каталiтичної субодиницi Nа+,К+-АТР-ази нейрональних мембран, обумовлених особливостями структурної органiзацiї їх лiпiдного оточення.
Практичне значення одержаних результатiв. Результати дослiджень мають загальнотеоретичне для бiохiмiї значення,створю ють новi методичнi пiдходи для адекватної оцiнки патофiзiологiчних та фармакологiчних мембранотропних ефектiв i можуть бути основою для фундаментальних та прикладних дослiджень в галузi бiохiмiчної мембранологiї та фармакологiї при вивченнi та корекцiї нейронального метаболiзму при мембранотропних впливах. Положення дисертацiї можуть бути використанi в учбовому процесi при вивченнi мембранологiї, бiохiмiї та фiзiологiї.
Особистий внесок дисертанта. Дисертантом особисто обгрунтова на iдея та методологiя роботи, пiдiбранi i обробленi данi лiтера тури, виконанi експериментальнi дослiдження, проведений науковий аналiз отриманого матерiалу, сформульованi основнi положення i висновки, пiдготовленi основнi друкованi працi. Високоочищенi мембраннi препарати Na+,K+-АТР-ази нирок свинi люб'язно наданi канд.бiол.наук Кравцовою В.В. (лабораторiя транспортних АТФаз Iнституту бiохiмiї iм.О.В.Палладiна НАН України).
Апробацiя результатiв дисертацiї. Матерiали дисертацiї до повiдались на Мiжнародному симпозiумi по транспорту iонiв (Тбiлiсi,1989), VI и VII Українських бiохiмiчних з'їздах (Ки їв,1992,1997), 3-iй конференцiї бiохiмiкiв Узбекистану (Таш кент,1996), 4th European conference on engineering and medicine (Warsaw,1997), II з'їздi Українського бiофiзичного товариства (Харькiв,1998), на засiданнях Вченої ради Iнституту бiохiмiї iм.О.В.Палладiна НАН України (1996-1999р.).
Публiкацiї. Основний змiст роботи викладено у 24 наукових працях,з них:1 монографiї (одноосiбна), 17 статтях у вiтчизняних i зарубiжних профiльних журналах (3 одноосiбнi), матерiалах та тезах 6 республiканських та мiжнародних наукових з'їздiв та конференцiй.
Структура та обсяг роботи. Дисертацiя складається з таких роздiлiв: "Вступ", "Огляд лiтератури" (3 пiдроздiли), "Матерiали та методи дослiджень", "Результати дослiджень та їх обговорення" (6 пiдроздiлiв), "Заключення", "Висновки", "Список лiтератури (378 джерел). Дисертацiю викладено на 265 сторiнках машинопису, вона мiстить 49 малюнкiв та 10 таблиць.
ОГЛЯД ЛIТЕРАТУРИ
В оглядi лiтератури докладно розглянутi питання структурно-функцiональної єдностi молекули Na+,K+-АТР-ази i лiпiдного оточення в плазматичнiй мембранi. Проведено детальний аналiз сучасних уявлень про функцiональну роль iзоформ i рецепторних типiв Na+,K+-АТР-ази, зокрема в тканинах мозку, їх генетичну детермiнованiсть. Безпосередню увагу придiлено обгрунтуванню передумов iснування взаємозв'язку функцiональних властивостей iзоформ Na+,K+-АТР-ази з лiпiдним оточенням в мембранi.
МАТЕРIАЛИ I МЕТОДИ ДОСЛIДЖЕНЬ
Об'єктом основних дослiджень був головний мозок щурiв (сiра речовина). В порiвняльних дослiдах використовували також мозочок i довгастий мозок щура, мозок бика i кроля (сiра речовина) та нирки (зовнiшня мозкова речовина) щурiв,кроля,бика,свинi.
Препарати Na+,K+-АТР-ази в мембранозв'язанiй формi отримували із фракцii мiкросом (50000g) за допомогою "м'якої" екстракції DS-Na за методом Йоргенсена-Свiднер [Jorgensen P.L.,1974;Sweadner K.J.,1978] з наступним ультрацентрифугуванням(105000g, 4 години) в ступеневому градiєнтi щільності сахарози (15,25 i 30%,вага/об'єм) за модифікованим методом [Matsuda T.et al.,1984]. Середовище обробки мiкросом детергентом містило: 50 мМ імідазол (рН 7,5), 1 мМ ЕДТА, 3 мМ трiс-АТР, 0,16 М сахарозу, 5 мг/мл білка мiкросом і 1,2 чи 1,4 мг/мл DS-Na (для тканин мозку та нирок вiдповiдно). Час обробки — 30 хв при 200С. Бiлковi фракцiї в межах 15/25% (зо на 1,мозок) i 25/30% (нирки) сахарози (в рядi експерементiв у 15% сахарозi,зона 2,мозок) осаджували центрифугуванням (105000g,1 го дина). Препарати ферменту суспензували в середовищі, що містить 10 мМ iмiдазол (рН 7,5), 0,16М сахарозу, 0,1-0,5мМ ЕДТА, зберігали в рідкому азоті, розморожували одноразово,використовували як нативний мембранозв'язаний препарат ферменту. Концентрацiю бiлка визначали за модифiкованим методом Лоурi i спiвавт. [Cadman E.et al.,1979].
Електрофорез препаратiв [Weber K., Osborn M.,1969; Laemmli U.K.,1970] проводили у 5-6%-ному ПААГ. Положення каталiтичних субодиниць iзоформ Na+,K+-АТР-ази контролювали ауторадiографiчно за Na+-залежним, K+- та уабаїнчутливим фосфорилюванням [-32P]АТР [Sweadner K.J.,1979]. Вивчення термоiндукованих електрофоретичних властивостей -субодиниць iзоформ Na+,K+-АТР-ази проводили у вiдповiдностi з роботою [Ohta T. et al.,1982].
Загальну АТР-азну активність визначали в середовищі: 30 мМ трiс-HCl (рН 7,4 при 370С), 130 мМ NaCl, 20 мМ KCl, 3 мМ MgCl2, 3 мМ тріс-АТР, 0,2 мМ ЕДТА, 1,25 мМ дитіотреїтол. Mg2+-АТР-азну активність визначали в присутності додатково 310-3уабаіна. Na+,K+ АТР-азну активність розраховували за різницею між загальною АТР-азною та Mg2+-АТР-азною активностями. У везикульованiй фракцiї мiкросом Na+,K+-АТР-азну активнiсть визначали пiсля демаскування латентної активностi в препаратах (2мг бiлка/мл) [DS-Na]opt (0,2-0,3 мг/мг бiлка) в середовищi згiдно Йоргенсе ну-Свiднер. Питома активнiсть Na+,K+-АТP-ази (мкмолей Pi/мг бiлка за 1 годину) становила для мiкросом: 130-200 (довгастий мозок, нирки щура), 90-120 (кора головного мозку, мозочок щура), 50-60 (кора головного мозку бика);для мембранозв'язаного ферменту: 380 -540 (довгастий мозок), 320-520 та 210-260 (кора головного мозку, зона 1 та зона 2 вiдповiдно), 350-720 (нирки щура); 210-350 (тка нини бика); 160-290 (тканини кроля); 720-1200 (нирки свинi).
Iнгiбування Na+,K+-АТP-ази уабаїном вивчали в процессi розвитку АТР-азної реакцiї [Matsuda T.et al.,1984] чи пiсля попе редньої iнкубацiї препаратiв з iнгiбiтором 10-15 хв при 370С у вiдсутностi КСl. АТР-азну реакцiю запускали додаванням 20 мМ КСl [Urayama O.,Nakao M.,1979]. Параметри iнгiбування уабаїном Na+,K+-АТР-азної активностi iзоформ ферменту (+ и 1) в препаратах з мозку щура розраховували згiдно з моделi для двох незалежних центрiв зв'язування глiкозида. Специфiчну дiю агентiв на iзо форми каталiтiчної субодиницi Na+,К+-АТР-ази оцiнювали на основi аналiзу змiн двохфазної кривої залежностi ферментативної актив ностi от концентрацiї уабаїну [Sweadner K.J.,1989]]. Кiнцеве роз ведення середовища обробки при визначеннi АТР-азної активностi становить 100-200 разiв. В стацiонарних умовах iнгiбування актив ності окремих ізоформ розраховували за різницею між активностями без інгібітору і в присутності 510-6М уабаіну (+: сумарна ак тивність уабаінчутливих ізоформ 2 і 3 iз схожими бiохiмiчними властивостямi,активностi яких не диференцiюються кiнетично) або 510-6М і 310-3 М уабаіну (уабаїнрезистентна 1-ізоформа).
Обробку ферменту мозку 1 мМ N-етилмалеiмiдом (N-ЕМ) та трипсином (в присутностi 60мМ КСl) проводили у вiдповiдностi з роботами [Sweadner K.J.,1979; Matsuda T.et al.,1984]. Вивчення термоiнактивацiї Na+,K+-АТР-ази проводили при 500С або 550С в середовищi: 10 мМ iмiдазол (рН 7,5), 2,5 мМ дитiотреїтол, 0,2 мМ EДТА, 5% сахароза, 40 мкг/мл бiлка препарату. Обробку препаратiв Na+,K+-АТР-ази мозку фосфолiпазою (ФЛ) А2 з отрути Naja naja oxiana (iзофермент з М.м.=13 кДа) проводили 30 хв при 370С в се редовищi, яке мiстило 25 мМ iмiдазол (рН 7,5), 1мМ СаСl2. Реакцiю зупиняли 10-кратним розведенням розчином з ЕГТА (кiнцева концентрацiя 5мМ).
Окисну модифікацію мембранних препаратiв Na+,K+-АТР-ази (0,5 мг/мл) проводили в 30 мМ тріс-HCl буфері (pH 7,4 при 370С), що містить 10 мкМ FeSO4 і 0,2 мМ аскорбінову кислоту. Реакцію зупи няли 10-кратним розведенням холодним 10мМ тріс-HCl буфером, що містив 0,5 мМ ЕДТА (кiнцева концентрацiя). Визначали вмiст мало нового дiальдегiду (МДА) и кiлькiсть вiльних SH-груп за допомогою 5,5'-дiтiо-бiс(2-нiтробензойної кислоти) (ДТНБК) [Болдырев А.А. и др.,1992; Курелла Е.Г. и др.,1996].
Результати оброблено статистично [Плохинский В.М.,1981].
РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ
Характеристика мембранних препаратiв Na+,K+-АТР-ази. В препаратах Na+,К+-АТР-ази кори головного мозку на вiдмiну вiд нирок (1) iдентифiкованi електрофоретично дискретнi бiлковi зони [-32P]фосфоiнтермедiатiв iзоформ -субодиниць (1 та +). Продемонстровано специфiку дiї трипсину на 1-iзоформу Na+,К+-АТР-ази в Е2-конформацiї ферменту та N-ЕМ на +-форму як критерiю для їх детекцiї в гетерогенних по iзоформному складу препаратах ферменту мозку.
В препаратах з мозку щура iдентифiкованi активностi глiкозидчутливого та глiкозидрезистентного типiв iзоформ Na+,К+-АТР-ази (+ та 1) у вiдповiдностi з уабаїнзалежністю їх фосфоiнтермедiатiв та специфiкою дiї трипсину, N-EM, термообробки. Цi методичнi пiдходи застосовано для направленої iнактивацii iзоформ в препаратах мозку бика. Виявлено їх високу схожу чутливiсть до серцевого глiкозиду. Для рiзних видiв тварин показано, що вiдмiнностi спорiдненостi до уабаїну характернi для 1-iзоформи Na+,К+-АТР-ази. Характеристики iнгiбування Na+,К+-АТР-ази мозку щура та бика в двох експериментальних умовах наведено в табл.1,2.
|
Таблиця 1 Параметри інгібування уабаїном Na+,K+-ATP-азної активності в мембранних препаратах з кори головного мозку щура та бика (інгібування ферменту в процесі АТР-азної реакції, Mm,n=3-6). |
|||||
|
Мозок |
Нирки |
||||
|
Параметри |
Обробка |
||||
|
контроль |
трипсин |
N-ЕМ |
500С |
контроль |
|
|
Щур |
|||||
|
А., % * |
100 |
26,2 2,5 # # |
9,6 1,6 # # |
19,0 0,8 # # |
100 |
|
Кi,1,мкМ |
0,16 0,02 |
0,27 0,06 |
– |
– |
– |
|
+ ** |
71,2 1,0 # |
96,6 0,4 # # |
– |
– |
– |
|
Кi,2, мкМ |
76,3 2,8 |
– |
146 12 |
79,1 7,2 |
3,4 2,4 |
|
1 ** |
31,6 1,5 |
– |
82,8 3,7 # # |
95,3 2,5 # # |
100,4 2,6 |
|
Бик |
|||||
|
А., % * |
100 |
29,3 5,1 # # |
24,2 1,3 # # |
25,4 6,9 # # |
100 |
|
Кi, мкМ |
0,25 0,02 |
0,20 0,01 |
0,27 0,01 |
0,23 0,00 |
0,38 0,02 |
|
Примітка: * - А - ферментативна активність препарату; **- наведено Vmax (%) високо (1)- та низькоафінного (2) компонентів інгібування Na+,K+-ATP-азної активності уабаїном (+ та 1-ізоформи); # p0,001 в порівнянні з Vmax для 1; # #- p0,001 в порівнянні з контролем. |
|
Таблиця 2 Параметри інгібування ферменту в процесі попередньої інкубації з Mg2+, ATP, Na+, уабаїном |
||
|
Параметри |
Мозок, контроль |
Нирки, контроль |
|
Щур |
||
|
Кi,1, нМ 24,2 3,5 – |
||
|
+ ** 65,0 2,4 # – |
||
|
Кi,2, мкМ 66,1 8,0 80,3 8,9 |
||
|
1 ** 33,5 2,0 100 |
||
|
Бик |
||
|
Кi, нМ 14,7 2,2 16,3 1,8 |
||
|
Примітка: позначення див. в табл. 1 |
Для демаскованої Na+,К+-АТР-ази мiкросом довгастого мозку (~90% активностi + в препаратах) виявлено бiльш високу у порiвняннi з 1-iзоформою ферменту нирок уявну спорiдненiсть до Na+ та субстрату MgАТР2- i однакову чутливiсть до активацiї К+ та iнгiбування Са2+.
Показано, що в плазматичних мембранах з сiрої речовини мозку щура в постнатальний перiод сформований стабiльний iзоформний комплекс iз схожими рецепторними властивостями. Ферментативна ак тивнiсть iзоформ досягає максимуму на 30-й день постембрiонального розвитку – часу стабiлiзацiї електрофiзiологiчних характеристик мозку [Venadakis А.,Woodbury D.M.,1962;Abdel-Latif A.A.et al.,1967].
Таким чином, за iзоформним складом i структурно-функцiональними характеристиками мембраннi препарати Na+,К+-АТР-ази вiдповiдають тим,що використовуються при вивченнi структурно-функцiональних взаємозв'язкiв цiєї ферментної системи в мембранi [Matsuda T., Iwata H.,1986;1988; Iwata H.et al.,1988; Sweadner K.J.,1989].
Електрофоретична гетерогеннiсть бiлково-детергентних комплексiв каталiтичної субодиницi Na+,К+-АТР-ази, індукована термобробкою. Проведено вивчення електрофоретичного розподiлу в ПААГ бiлково-детергентних комплексів гiдрофобних бiлкiв iзоформ -су бодиниць Na+,К+-АТР -ази пiсля термообробки препаратiв в присут ностi 1% DS-Na i 1% 2-меркаптоетанолу.
Показано,что в умовах електрофорезу у високопористому полiакриламiдному гелi виявляється термоiндуковане (при t0>700C) роздвоєння гомогенної бiлкової зони 1-субодиницi (~90 кДа) Na+,К+-АТР-азы нирок (свинi,щура,бика) з утворенням додаткової бiлкової зони з бiльшою електрофоретичною рухомiстю II (~85 кДа) (у вiдповiдностi з дослiдженнями на ферментi з нирок собаки [Ohta T.,1982]).
Пiсля iнтенсивної термообробки (1000C,1хв) продемонстровано появу при електрофорезi по Лаемлi (Laemli K.,1970) також дифузної бiлкової зони в областi уявних молекулярних мас вищих, нiж у залишкової бiлкової полоси I (рис.1). Це не є наслiдком утворення агрегатiв, бо межа дифузної зони (вiдмiчена ) не перевищує 105 кДа. Показано, що процес термоiндукованої трансформацiї бiлкової зони -субодиницi чутливий до умов вiдновлення S-S-зв'язкiв. З часом обробки зростає iнтенсивнiсть дифузної бiлкової зони на фонi зменшення iнтенсивностi основних бiлкових зон I и II. Крiм того,пiдвищення концентрацiї 2-меркаптоетанолу з 1мМ до 5мМ (але не DS-Na) сприяло переважному утворенню зони "".
Виявлений феномен є характерним для 1-субодиницi Na+,К+-АТР-ази нирок усiх дослiджених видiв тварин. Це свiдчить про iснування загальних структурних закономiрностей при термоiндукованому перетвореннi -субодиницi, не залежних вiд структурних особливостей рецепторних типiв ферменту.
Причина аномальної поведiнки бiлкових зон каталiтичної субодиницi полягає у iснуваннi незвичайних бiлково-детергентних взаємодiй,неоднакових для гiдрофобних бiлкiв iзоформ Na+,К+-АТР-ази [Cortas N. et al.,1991]. Це може обумовлювати специфiчну здатнiсть гiдрофобних бiлкiв -субодиниць набувати неповнiстю розгорненої конформацiї (бiльш глобулярної) з вищою електрофоретичною рухомiстю,нiж навiть у цiлком розгорненої конформацiї з максимальною кiлькостю зв'язаного детергенту, а в умовах термообробки спричиняє утворенню конформаційних “псевдоізоформ” [Sweadner K.J.,1990]. В цьому випадку дифузна зона () відповідає розгорненій конформації ферменту, що утворюється в умовах інтенсивного відновлення дисульфідних зв’язків, з уявною молекулярною масою, яка наближається до справжньої молекулярної маси каталітичної субодиниці.
|
Рис.1. Електрофореграма (за Laemmli; 5,6% ПААГ) препаратiв Na+,K+-ATP-ази нирок та мозку |
|
після солюбiлiзацiї при 1000С. А: 1,2–20мкг, 3–10мкг; Б: 1,2–25мкг; 3–15мкг; В: 35мкг білка/трек. |
При порівнянні електрофоретичних властивостей білково-детергентних комплексів ізоформ каталітичної субодиниці Na+,К+-АТР-ази мозку встановлено, що білкова зона + більш стійка до процесу термообробки, ніж 1 (рис.1,В). Виявлені закономірності електрофоретичної поведінки білково-детергентних комплексів + і 1 в умовах електрофорезу в поліакриламідному гелі в присутності DS-Na свiдчать про особливостi солюбiлiзацiї гiдрофобних бiлкiв iзоформ -полiпептидiв Na+,К+-АТР-ази у вiдповiдностi з встановленою для них специфiкою гiдрофобних бiлково-детергентних взаємодiй [Cortas N.et al.,1991].
Термочутливiсть Na+,K+-АТР-азы мозку та нирок. Для оцiнки структурної стiйкостi функцiонально-активної нативної конформацiї бiлкової глобули Na+,К+-АТР-ази в мембранi було використано метод термоiнактивацiї (Козлов Ю.П. и др.,1983).
При дослiдженнi кiнетики термоiнактивацiї ферменту з мозку та нирок ряду видiв тварин виявлено таку послiдовнiсть в термочутливостi Na+,К+-АТР-ази в препаратах (у вiдповiдностi з вмiстом +-форми): довгастий мозок > сiра речовина (мозочок) > нирки (рис.2,а). Судячи iз зменшення високоафiнного компонента iнгiбування уабаїном активностi Na+,К+-АТР-ази мозку щура на фонi збереження уявної спорiдненостi до уабаїну частково iнактивованої 1-iзоформи (рис.2,б;табл.1) i порушення утворення фосфоiнтер медiату + (рис.2,в), встановлено, що +-форма характеризується високою термолабiльнiстю. Показано, що така iнтерпретацiя процесу термоiнактивацiї може бути застосована i для iнших препаратiв з кори мозку бика та кроля, якi мiстять +-форму ферменту. Na+,К+-АТР-аза нирок (1-iзоформа) характеризується значною термостiйкiстю.
Термочутливiсть Na+,К+-АТР-ази як з тканин мозку, так i нирок iстотно залежить вiд стабiлiзацiї ферменту в конкретних конформацiйних станах, iндукованих iонами натрiю та калiю (Na+- та K+-конформацiя), що вiдповiдає вищiй гiдрофобностi мембранного оточення каталiтичних полiпептидiв Na+,К+-АТР-ази в конформацiї Е2, нiж Е1 [Jorgensen P.L.,Andersen J.B.,1986]. Проте вiдмiнностi в термолабiльностi iзоформ не визначаються конформацiйним станом ферменту як результат вiдмiнностей в конформацiйнiй рiвновазi, якi виявленi для iзоформ Na+,К+-АТР-ази [Matsuda T.,Iwata H.,1988].
Проведенi дослiдження свiдчать про бiльш високу структурну стабiльнiсть в мембранi 1-iзоформи Na+,К+-АТР-ази мозку та нирок у порiвняннi з +. Висока термостабiльнiсть 1-iзоформи Na+,К+-АТР-ази є її загальною структурною характеристикою i не обумовлена структурними особливостями глiкозидрезистентного типу ферменту щура.
|
Рис.2. Активнiсть (а), чутливiсть до уабаїну (б) та каталiтичне фосфорилювання (в,г) Na+,K+-ATP-ази мозку та нирок в умовах термоiнактивацiї при 500С; а: 1–4-нирки свинi, бика, щура, кроля вiдповiдно; 5–7 – кора головного мозку бика, кроля, щура вiдповiдно; 8 – мозочок щура; 9,10 – довгастий мозок кроля та щура вiдповiдно; n=2 – 4; б: залишкова активнiсть ферменту кори мозку щура,% до контролю (1): 62% (2), 28% (3), 18% (4), фермент нирок без термообробки (5). Електрофорез за Laemmli (в) та ауторадiограма гелю (г):фермент мозку щура фосфорилювали [-32Р]АТР в присутностi 130мМ NaCl (1,2) та 130мМ NaCl+20мМ KСl (3,4) без (1,3) та пiсля термообробки (2,4), залишкова активнiсть-16%; 35мкг бiлка/трек. |
В проведених дослiдженях виявлено вiдмiнностi в термолабiльностi мiж високогомологiчними за амiнокислотною послiдовнiстю 1-формами ферменту в препаратах нирок рiзних видiв (рис.2,а), а також мiж iдентичними 1-iзоформами Na+,К+-АТР-ази рiзних тканин одного виду: мозку та нирок щура. Це свiдчить,що термочутливiсть Na+,К+-АТР-ази визначають також тканиннi особливостi органiзацiї ферменту в мембранi.
Чутливiсть iзоформ Na+,K+-ATP-ази до фосфолiпази А2. Для з'я сування внеску лiпiдного компонента в стабiлiзацiю функцiонально-активної конформацiї iзоформ Na+,К+-АТР-ази в мембранi проведенi дослiдження з використанням ФЛ А2 з отрути Naja naja oxiana.
Показано, що помiрна iнактивацiя мембранозв'язаної Na+,К+-АТР-ази кори головного мозку щура пiд впливом ФЛ А2 (близько 40% залишкової ферментативної активностi в препаратi) супроводжується помiтним зменшенням чутливостi до уабаїну (рис.3,а). Цей ефект не є результатом змiни спiввiдношення активностей окремих iзоформ в препаратi внаслiдок їх рiзної чутливостi до модифiкуючого мембрану впливу ФЛ А2, але може бути пояснений сповiльненням зв'зування iнгiбiтору. Внаслiдок цього за стандартний час iнкубацiї з уабаїном не досягається стацiонарний рiвень iнгiбування модифiкованої Na+,К+-АТР-ази на вiдмiну вiд нативного ферменту. Пiдвищення часу iнкубацiї приводить до вiдновлення характеру залежностi активностi Na+,К+-АТР-ази вiд концентрацiї уабаїну,типового для нативного ферменту.
Крiм того, пiсля попередньої iнкубацiї з уабаїном тих самих препаратiв в присутностi лiгандiв (АТР, Na+, Mg2+),якi стабiлiзу ють E2-P-конформацiю Na+,К+-АТР-ази,з якою уабаїн зв'язується з найбiльшою швидкiстю [Болдырев А.А.,Мельгунов В.И.,1985],зникають розбiжностi в характерi iнгiбування контрольних i помiрно iнакти вованих ФЛ А2 препаратiв (рис.3,б),що полягають в зменшеннi чутливостi ферменту до глiкозиду в умовах iнгiбування в процесi розвитку АТР-азної реакцiї. Обробка препаратiв Na+,К+-АТР-ази сироватковим альбумiном (СА) для вилучення вiльних жирних кислот – продуктiв гiдролiзу фосфолiпiдiв, також вiдновлює чутливiсть Na+,К+- АТР-ази до уабаїну при помiрнiй її iнактивацiї пiд дiєю ФЛ А2 до рiвня нативного ферменту (рис.3,в). Це вказує на модифікуючий вплив жирних кислот на фермент. Промивка без СА не ефективна.
|
Рис.3. Залежнiсть активностi мембранозв'язаної Na+,K+-АТР-ази кори головного мозку щура (а,б,в) та бика (г) вiд концентрацiї уабаїну в умовах модифiкацiї препаратiв фосфолiпазою А2 без (а,б,г) та пiсля обробки СА (в).[ФЛ А2],мкг/мл:0(1,2);1(3,4);5(5,6);8(7); а,в,гI-iнгiбування уабаїном в процесi АТР-азної реакцiї,30хв(1,3,5,7) та 60хв(2,4,6) iнкубацiї; б,гII-iнгiбування уабаїном в умовах попередньої iнкубацiї з АТР,Na+,Mg2+,15 хв. Залишкова активнiсть Na+,K+-АТР-ази в препаратах: а:1,2-100%;3,4-40%;5,6-20%;7-8%; в: 1-100%;3-56%;5-8%;г:1,2-100%,3,4-39%;5,6-6%. |
Подальше зниження активності Na+,К+-АТР-ази під впливом ФЛ А2 супроводжується прогресуючим зменшенням компонента з низькою спорідненістю до уабаїну в двох експериментальних умовах інгібування (рис.3,а,б). Результати по визначенню вмісту активності 1-ізоформи в препаратах при досягненні стаціонарних рівнів інгібування ферменту, наведені на рис. 4, свідчать про її прискорену інактивацію у порівнянні з +. Так, активність 1-ізоформи Na+,К+-АТР-ази після обробки препаратів ФЛ А2 (5 мкг/мл) знижувалась до 18,62,4% від сумарної Na+,К+-АТР-азної активності препарату у порівнянні з її рівнем в контролі – 31,00,6% (Mm,n=4-5,p<0,05), Кi,1 =0,44 мкМ, Кi,2=39,4 мкМ. В цих умовах специфіка чутливості активності ізоформ Na+,К+-АТР-ази до ФЛ А2 не зазнає якісних змін після обробки СА (рис.3,в).
|
Рис.4. Активнiсть 1-iзоформи (1,2) в препаратах Na+,K+-АТР-ази кори головного мозку щура в умовах iнактивацiї ферменту фос фолiпазою А2 (3): 1-iнгiбування уабаїном в процесi АТР-азної ре акцiї (30-60хв);2-в умовах попередньої iнкубацiї з АТР,Mg2+,Na+, 15хв; 100%-активнiсть сумарної Na+,K+-АТР-ази при [ФЛ А2]i (1,2) чи без обробки препаратiв ФЛ А2 (3). |
Для уабаїнчутливої Na+,К+-АТР-ази кори головного мозку бика також продемонстровано зниження уявної спорідненості модифікованого ферменту до серцевого глікозиду (Кi~0,5мкМ) у порівнянні з контролем (Кi~0,2мкМ) в умовах інгібування в процесі АТР-фосфогідролазного циклу (рис.3,г). Ці відмінності нівелюються при попередній інкубації ферменту в умовах фосфорилювання (Кi~15нМ).
Висока чутливість 1-ізоформи Na+,К+-АТР-ази мозку до інактивації не є наслідком її вибірного протеолізу, про що свідчить збереження в дослідженнях електрофоретичного профілю ізоформ каталiтичної субодиницi в умовах обробки препаратiв ферменту ФЛ А2 та стiйкiсть Na+,К+-АТР-ази мозку до ендогенних протеаз [Владимирова Н.М.и др.,1995].
Можна стверджувати, що виявленi закономiрностi дiї ФЛ А2 на iзоформи обумовленi деградацiєю їх лiпiдного оточення, а їх характер визначається ступенем iнактивацiї ферменту. Наведенi данi свiдчать про iснування специфiки структурної органiзацiї бiлково-лiпiдних комплексiв iзоформ каталiтичної субодиницi Na+,К+-АТР-ази нейрональних мембран. Висновок про вiдмiнностi в лiпiднiй чутливостi iзоформ мозку також виходить з дослiджень з використанням iнших фосфолiпаз [Matsuda T.,Iwata H.,1986;Bougis P.E.et al.,1989].
Чутливiсть iзоформ Na+,K+-АТР-ази до DS-Na. Обробка мiкросом з сiрої речовини мозку щура DS-Na в концентрацiях, вище оптимальних,що використовуються для демаскування ферментативної активностi у везикулах, супроводжується переважаючою iнактивацiєю 1-изоформи ферменту у порiвняннi з +. Це виявляється у послiдовному зменшеннi в препаратах вiдповiдного компонента Na+,К+-АТР-азної активностi з низькою спорiдненiстю до уабаїну при спiввiдношеннi детергент/бiлок вище величини 0,4 мг DS-Na/мг бiлка (рис.5). Уявна спорiдненiсть до уабаїну iзоформ Na+,К+-АТР-ази в процесi iнактивацiї детергентом не змiнюється, що дає можливiсть оцiнити вплив детергенту на їх активнiсть.
|
Рис.5. Залежнiсть активностi сумарної Na+,K+-ATP-ази кори голов ного мозку щура вiд концентацiї уабаїну (а) та активнiсть 1-iзоформи (б,1) в препаратах мiкросом пiсля їх обробки DS-Na; а: мг DS-Na/мг бiлка: 1-0,2; 2-0,6; 3-0,8; б: 100%-активнiсть сумарної Na+,K+-ATP-ази при [DS-Na]i; МС обробляли при [DS-Na]opt, залишкову кiлькiсть детергенту вносили в середовище АТР-азної реакцiї (б,2). |
Для з'ясування причин специфiки iнактивацiї iзоформ Na+,К+-АТР-ази детергентом мiкросоми,обробленi DS-Na в умовах не оборотної iнактивацiї, тобто при спiввiдношеннях до бiлка вище оптимальних для очистки нативних мембранозв'язаних препаратiв ферменту за методом Йоргенсена-Свiднер, центрифугували в градiєнтi щiльностi сахарози.
Як результат неоднорiдностi фiзико-хiмiчних властивостей по пуляцiй мембранних фрагментiв мiкросом в градiєнтi щiльностi са харози виявляються двi бiлковi зони: на межi 15/25% сахарози (зона 1) и в 15% сахарозi (зона 2), якi вiдрiзняються за чутливiстю Na+,К+-АТР-аз до DS-Na, але, як i у випадку мiкросом,характеризу ються бiльшою чутливiстю 1-iзоформи ферменту у порiвняннi з + до необоротної iнактивацiї детергентом (рис.6,а).
За допомогою електрофорезу в ПААГ в присутностi DS-Na препаратів мембранозв’язаної Na+,К+-АТР-ази кори головного мозку щура показано, що необоротна інактивація ізоформ детергентом супроводжується видаленням їх каталітичних субодиниць з мембран, яке превалює для 1-ізоформи (рис.6,в). В умовах рівновеликих співвідношень детергент/білок цей ефект виявлено при концентраціях DS-Na, які помірно перевищують величину критичної концентрації міцелоутворення, так і нищих за неї. Це свідчить про те, що зв’язування мономерної форми DS-Na, а не міцелярної, обумовлює специфічний до ізоформ мембранотропний ефект детергенту.
Такі закономірності інактивуючої і солюбілізуючої дії DS-Na для ізоформ Na+,К+-АТР-ази виявлено також в препаратах кори головного мозку бика (рис.6,б,г), мозочку щура, але не довгастого мозку, де чутливість ізоформ до детергенту однакова.
|
Рис.6. Залежнiсть активностi мембранозв'язаної Na+,K+-ATP-ази вiд концентрацiї уабаїну (а,б) та електрофореграма (в,г) препаратiв з кори головного мозку щура (а,в) та бика (б,г); мг DS-Na/мг бiлка при екстракцiї мiкросом (5мг/мл): 1-0,5; 2-0,6; 3-0,8 (а); 1,2-0,4; 3,4-0,6; 5-0,7 (б); бiлковi зони в градiєнтi щiльностi сахарози: 15/25% (пустi символи), 15% (повнi); електрофорез за Laemmli (зона каталiтичної субодиницi): фосфорiлаза b, 92,5кДа (в1,г,1); 30 мкг білка/трек за винятком в: 5,6-50 мкг. |
Отримані дані про відмінності у стабільності ізоформ Na+,К+-АТР-ази мозку до дезінтегруючої мембрану дії DS-Na вiдповiдають зробленому вище висновку про специфiку органiзацiї в плазматичних мембранах клiтин кори головного мозку бiлко во-лiпiдних комплексiв iзоформ каталiтичної субодиницi Na+,К+-АТР-ази. Показано, що виявлений ефект DS-Na не є наслiдком вибiрного протеолiзу каталiтичної субодиницi в процесi обробки мiкросом детергентом. Специфiчна до 1-iзоформи Na+,К+-АТР-ази мембранотропна дiя DS-Na незалежно вiд типу її чутливостi до серцевих глiкозидiв (щур,бик) свiдчить про унiверсальнi особливостi її структурної органiзацiї в плазматичнiй мембранi клiтин сiрої речовини, а не бiлої речовини (довгастого мозку). Очевидно, що специфiка дiї детергенту обумовлена фiзико-хiмiчними властивостями мембрани, а саме її лiпiдного компонета, бо мають мiсце особливостi в чутливостi до DS-Na однакових iзоформ каталiтичної субо диницi Na+,К+-АТР-ази в рiзних субпопуляцiях мембранних фрагментiв кори головного мозку, а також особливостi iнактивацiї iзоформ в препаратах з рiзних тканин.
Збiльшення часу попередньої iнкубацiї мiкросом з детергентом пiдвищує ефективнiсть iнактивацiї Na+,К+-АТР-ази, но не усуває рiзницi в чутливостi iзоформ до DS-Na. Швидкiсть iнактивацiї детергентом також вища для 1-iзоформи (рис.7).
Вiдмiченi вище вiдмiнностi в чутливостi до iнактивацiї детер гентом iзоформ Na+,К+-АТР-ази мозку дорослих щурiв виявляються також в мiкросомах мозку тварин молодого вiку i не залежать вiд змiни фiзико-хiмiчних властивостей плазматичних мембран в постнатальному онтогенезi. Це свiдчить, що особливостi бiлково-лiпiдних комплексiв iзоформ сформованi в постембрiональний перiод.
З метою вивчення впливу електростатичних взаємодiй в механiзмi iнактивацiї Na+,К+-АТР-ази детергентом дослiдження проведенi в умовах закислення середовища. Помiрне пiдвищення кислотностi середовища обробки мiкросом DS-Na в дiапазонi рН 7,5-6,2 супроводжується рiзким зростанням чутливостi Na+,К+-АТР-ази мозку щура до детергенту, що вказує на роль поверхневого заряду в за безпеченнi його iнактивуючої дiї на фермент (рис.8).
|
Рис.7. Кiнетика iнактивацiї iзоформ каталiтичної субодиницi Na+,K+-АТР-ази DS-Na (0,6мг/мг бiлка) в препаратах мiкросом кори головного мозку щура; а: 1-+; 2-1; 100%-максимальна активнiсть вiдповiдної iзоформи при [DS-Na]opt=0,2мг/мг бiлка; б: 1-сумарна Na+,K+-АТР-азна активнiсть; 2-процентний вмiст активностi 1-iзоформи в препаратi. |
|
Рис.8. Чутливiсть Na+,K+-АТР-ази мiкросом кори головного мозку щура до DS-Na при рiзних значеннях рН середовища; а: сумарна Na+,K+-АТР-азна активнiсть препарату; 1,2-рН=7,5; 3,4-рН=6,5; 5,6-рН=6,2; 1,3,5-3мМ АТР; 2,4,6-без АТР; б: активнiсть iзоформ; 1,3,5- +; 2,4,6-1; 1,2-рН=7,5; 3-6-рН=6,2; 1,2,5,6-без АТР; 3,4-з АТР. |
Аналiз ступеня iонiзацiї окремих груп бiлкiв та лiпiдiв в цих умовах свiдчить про можливiсть виникнення додаткових позитивних зарядiв за рахунок амiнокислотних залишкiв гiстидина,якi несуть слаболужну групу. В цьому випадку поява додаткових позитивних зарядiв може сприяти рiзкому пiдвищенню зв'язування детергенту з експонованими доменами молекули ферменту, дезорганiзацiя яких має суттєве значення в iнактивацiї ферменту.
Як видно з рис.8, захисний ефект АТР в бiльший мiрi виявляється в умовах необоротної iнактивацiї ферменту. При рН 7,5 спе цифiка дiї DS-Na на iзоформи каталiтичної субодиницi Na+,К+-АТР-ази iстотно не залежить вiд наявностi АТР в середовищi обробки мiкросом детергентом. Проте при закисленнi середовища ви явленi закономiрностi в iнактивацiї iзоформ DS-Na зберiгаються лише в присутностi нуклеотиду. Це вказує на екрануючий ефект АТР, а приймаючи до уваги iснування контакту частини АТР-зв'язуючої дiлянки з мембраною [Lutsenko S.,Kaplan J.H.,1993], i стабiлiзуючий вплив на фермент.
Обробка мiкросом детергентом (середовище без АТР) в присут ностi iонiв магнiю (кальцiю),що вносили для нейтралiзацiї анiон них груп компонентiв мембрани,супроводжується значним пiдвищенням чутливостi ферменту до DS-Na. В цьому випадку не усувається специфiка дiї детергенту на iзоформи (рис.9,а).
Для з'ясування залежностi ефекту детергенту вiд рiдинних властивостей лiпiдної фази мембрани вплив DS-Na на активнiсть iзоформ Na+,К+-АТР-ази вивчили в дiапазонi температур 20-370С. Необоротна iнактивацiя Na+,К+-АТР-ази DS-Na пiдсилюється з температурою. При екстракцiї мiкросом детергентом при 370С усуваються як вiдмiнностi в чутливостi до DS-Na Na+,К+-АТР-ази в мембранних препаратах рiзних тканин,так i окремих iзоформ в мiкросомах з кори головного мозку щура (рис.9,б).
|
Рис.9. Чутливiсть Na+,K+-АТР-ази кори головного мозку щура до DS-Na при рiзних умовах обробки мiкросом детергентом; а:середовище без АТР; 1,2- контроль; 3,4-5мМ MgCl2; 1,3-+, 2,4-1; б: обробка в присутностi АТР: 1,2-250С; 3,4-300С; 5,6-370С;1,3,5-+;2,4,6-1. |
Результати дослiджень вiдповiдають концепцiї локальної в'язкотропної регуляцiї функцiонування мембранних ферментiв, яка виз начається фiзичним станом пограничних лiпiдiв [Дергунов А.Д. и др.,1984]. Зважаючи на механiзм мембранотропної дiї DS-Na на iнтегральнi бiлки [Неlenius А., Simons K.,1975;Lichtenberg D.et al.,1983;Кравцов А.В.,Алексеенко И.Р.,1993], специфiка iнактивуючого i солюбiлiзуючого впливу детергенту на iзоформи каталiтичної субодиницi Na+,К+-АТР-ази пояснюється iснуванням особливостей у доступностi гiдрофобних дiлянок на бiлку для зв'язування детергенту,обумовлених вiдмiнностями в ефективностi бiлок-лiпiдних взаємодiй.В цьому випадку ступiнь iммобiлiзацiї ацильних ланцюгiв міцно зв’язаних фосфоліпідів може характеризувати ефективність гідрофобних білково-ліпідних взаємодій, що визначає їх стійкість до заміни на білок-детергентні взаємодії. Зміна мікров’язкості пограничного ліпіду при термотропному фазовому переході супроводжується усуненням критичних відмінностей в ефективності білок-ліпідних взаємодій для ізоформ Na+,K+-ATP-ази не за рахунок ослаблення іонних взаємодій, а в результаті зміни щільності пакування пограничних ліпідів. Це приводить до конформаційної перебудови ферменту, підвищення доступності для DS-Na гідрофобних ділянок на білку, денатурації та солюбілізації ферменту.
Активність ізоформ Na+,K+-ATP-ази мозку при пероксидній модифікації мембран. Обробка препаратів мембранозв’язаної Na+,K+-ATP-ази кори головного мозку щурів в системі "Fe2+/аскорбат" приводила до необоротного інгібування ферментативної активності (рис.10,а), яке супроводжувалось паралельним утворенням МДА (рис.11) при пероксидному окисленнi лiпiдiв (ПОЛ) та зменшенням кiлькостi вiльних SH-груп в бiлкових компонентах препаратiв ферменту (75,53±3,26 та 31,92±2,65 нмолей/мг бiлка в контролi та пiсля 60 хв обробки вiдповiдно,M±m,n=3-5,p<0,05). ЕДТА усуває ефект iнактивацiї Na+,K+-ATP-ази, що вказує на зв'язок iнгiбування ферменту з механiзмом iнiцiацiї окисних процесiв iонами перехiдних металiв (Fe).
|
Рис.10. Кiнетика iнактивацiї мембранозв'язаної Na+,K+-АТР-ази сiрої речовини мозку щура в системi "Fe2+/аскорбат" (M±m,n=3-9); а: сумарна Na+,K+-АТР-азна активнiсть препарату: 1-без добавок, 2-150мМ холiнхлорид, 3-150мМ КСl, 4-150мМ NaCl, 5-30мМ тiосечовина, 6-1мМ ЕДТА; p<0,05 в порiвняннi з контролем без добавок (1); б: активнiсть 1-iзоформи (% до сумарної ферментативної активностi препарату): 1-без добавок, 2-150мМ КСl, 3-30мМ тiосечовина; р<0,05 в порiвняннi з початковим вмiстом 1-iзоформи в препаратi. |
Комплекснiсть та паралельнiсть процесiв пероксидної модифiкацiї лiпiдного та бiлкового компонентiв мембрани не дозволяє диференцiювати їх вплив при порушеннi функцiонування Na+,K+-ATP-ази і доказово стверджувати про первопричину її окисної інактивації в нейрональній мембрані. Тому дослідження були спрямовані на вивчення внеску окисної модифікації білкової молекули ферменту та ліпідного матриксу мембрани в механізм інактивації Na+,K+-ATP-ази.
|
Рис.11. Кiнетика накопичення МДА при Fe2+/аскорбат-залежнiй iндукцiї ПОЛ в препаратах мембранозв'язаної Na+,K+-АТР-ази сiрої речовини мозку щурiв (M±m,n=3-5): 1-без добавок, 2-30 мМ тiосечовина; p < 0,05 в порiвняннi з контролем без iнкубацiї з оксидантами. |
Тіосечовина (ТС), “пастка” гідроксил-радикалів [Ohta A. et al.,1989], ефективно блокує процес накопичення МДА (рис.11) і значно сповільнює інгібування Na+,K+-АТР-ази (рис.10,а). Результати досліджень свідчать про обумовленість інгібування Na+,K+-АТР-ази прямою модифікацією молекули ферменту, а не його ліпідного оточення, під впливом активних форм кисню на ранніх етапах окисного ушкодження мембран, в умовах, які не супроводжуються окисною деструкцією ліпідного матриксу.
Зважаючи на зміну співвідношення активностей ізоформ Na+,K+-АТР-ази в препаратах, рівень інактивації + перевищує такий для 1 (рис.10,б). В присутності ТС специфіка інактивації ізоформ не змінюється, але реалізується при менших рівнях інактивації ферменту.
При дослідженні впливу іонних умов на Fe2+/аскорбат-залежну інактивацію Na+,K+-АТР-ази встановлено, що окисна обробка в присутностi КСl ( NaCl ) на вiдмiну вiд холiнхлориду усувала специфiку в iнактивацiї iзоформ Na+,K+-АТР-ази (рис.10). В середо вищi з KCl рiвень утворення МДА практично не змiнювавася, а кiлькiсть окислених SH-груп зменшувалась. Певно, таке iонне оточення пом'якшує пероксидну iнактивацiю Na+,K+-АТР-ази, стабiлiзу ючи мембранну структуру ферменту.
Вiдомо, що iзоформи ферменту вiдрiзняються за кiлькiстю, функцiональним значенням та експонованiстю високочутливих до окислення SH-груп [Iwata H. et al.,1988; Sweadner K.J., 1989; Vasilets L., Schwarz W., 1993], якi вiдiграють значну роль в стабiлiзацiї третинної структури ферменту в мембранi [Курелла Е.Г. и др.,1996].
Отриманi данi знаходяться у вiдповiдностi з результатами iнших дослiджень, в яких виявлено вiдмiнностi в чутливостi до ок сидантiв Na+,K+-АТР-ази мозку та нирок, 3-iзоформи в сарколемi мiокарду тхора та 2-iзоформи, експресованої в клiтинах комах лiнiї Sf-9, щодо 1-iзоформи [Huang W. et al.,1994;Xie Z. et al., 1995; Болдырев А.А., 1995, 1996].
Проте в проведених дослiдах вперше продемонстровано вищу ок сидантну чутливiсть SH-залежних iзоформ + (2 та 3) у порiвняннi з 1 в препаратах Na+,K+-АТР-ази сiрої речовини мозку в умовах диференцiацiї внеску окисного ушкодження бiлкового та лiпiдного компонентiв мембрани.
Можно зробити висновок, що окисна iнактивацiя Na+,K+-АТР-ази є комплексним процесом. Пiдсилення iнактивацiї ферменту при поширеннi окисного процесу i активацiї ПОЛ вказує на участь рiзних шляхiв окисного ушкодження Na+,K+-АТР-ази. Однак, специфiка окисного ефекту обумовлюється структурними особливостями саме бiлко вих молекул iзоформ ферменту у вiдповiдностi з SH-залежнiстю їх функцiональної активностi i не зв'язана з iнтенсивнiстю ушкодження лiпiдного матриксу мембрани.
ЗАКЛЮЧЕННЯ
Таким чином, результати дослiджень вказують на iснування особливостей структурної органiзацiї бiлково-лiпiдних комплексiв iзоформ каталiтичної субодиницi Na+,K+-АТР-ази в плазматичних мембранах клiтин кори головного мозку, якi обумовленi особливостями структурної органiзацiї їх пограничних лiпiдiв.
Пiдсумовуючи отриманi результати слiд вiдмiтити, що передумовою iснування вiдмiнностей лiпiдного анулюса iзоформ Na+,K+-АТР-ази є їх рiзна локалiзацiя в клiтинах нейронiв, а також в рiзних типах клiтин кори головного мозку [Sweadner K.J.,1989;1992]. Не виключена можливiсть iснування гетерогенностi лiпiдного оточення iзоформ в конкретнiй дiлянцi нейрональної мембрани. Припускається, що 1-iзоформа здiйснює регуляцiю загальної концентрацiї iонiв Na+ в цитоплазмi нейронiв, а 2- та 3-iзоформи — в обмеженому просторi мiж плазматичною мембраною та ретикулумом [Juhaszova M., Blaustein M.P., 1997; Владимирова Н.М. и др.,1998].
Iснування фiзико-хiмiчних особливостей лiпiдного оточення iзоформ може забезпечити специфiчну модуляцiю конформацiйної рухомостi чи iнших каталiтичних властивостей iзоформ або специфiку їх функцiональної стiйкостi при динамiчних змiнах в мембранi згiдно вiдомому механiзму в'язкотропної регуляцiї функцiонування iнтегральних мембранних ферментiв, а саме Na+,K+-АТР-ази [Дергунов А.Д. и др.,1984; Рost R.L.,Klodos I.,1996].
В той же час висока оксидантна чутливiсть спецiалiзованих iзоформ 2 та 3 може бути одним з факторiв, що визначає катастрофiчнiсть процесiв окисного стресу у розвитку нейрональних пато логiй [Болдырев А.А.,Куклей М.Л.,1996].
Результати дослiджень свiдчать про iснування вiдмiнностей функцiональних порушень фундаментальної 1- та спецiалiзованих 2- та 3-iзоформ Na+,K+-АТР-ази при модифiкацiї лiпiдної фази мембрани чи окиснiй iнактивацiї, що може бути передумовою особливостей адаптивної стiйкостi iзоформ при певних фiзiологiчних та патологiчних станах органiзму.
ВИСНОВКИ
1. Виявленi вiдмiнностi в стiйкостi до мембранотропних впливiв in vitro iзоформ каталiтичної субодиницi мембранозв'язаної Na+,K+-АТР-ази мозку.
2. Для гiдрофобних бiлкiв -субодиницi Na+,K+-АТР-ази мозку та нирок (щур,бик,свиня) встановлено схожiсть електрофоретичних властивостей пiсля солюбiлiзацiї препаратiв в умовах термообробки (>700C) в присутностi DS-Na та 2-меркаптоетанолу. Для Na+,K+-АТР-ази сiрої речовини мозку виявлено бiльш високу стiйкiсть до термообробки (при 1000С) бiлкової зони + у порiвняннi з 1.
3. Виявлено таку послiдовнiсть в термочутливостi (при 500С) Na+,K+-АТР-ази з тканин мозку та нирок, яка вiдповiдає вмiсту +-форми в препаратах: довгастий мозок>сiра речовина (мозочок)>нирки. Для iзоформ Na+,K+-АТР-ази мозку виявлено бiльш високу термостабiльнiсть 1 у порiвняннi з +. Специфiка термоiнактивацiї iзоформ не залежить вiд рецепторного типу ферменту та його конформацiйного стану (Na+- чи K+-форми). Виявлено вiдмiнностi в термолабiльностi 1-iзоформи в препаратах ферменту з сiрою речовини мозку та нирок.
4. Вперше встановлено, що в препаратах мембранозв'язаної Na+,K+-АТР-ази з сiрої речовини мозку щура 1-iзоформа ферменту бiльш чутлива у порiвняннi з + до iнактивуючої дiї фосфолiпази А2 з отрути Naja naja oxiana.
5. Вперше встановлено, що в препаратах мiкросом з сiрої речовини i мозочка щура на вiдмiну вiд мембран з довгастого мозку 1-iзоформа Na+,K+-АТР-ази характеризується вищою у порiвняннi з + чутливiстю до iнактивацiї DS-Na. Показано, що необоротна iнактивацiя детергентом Na+,K+-АТР-ази в препаратах з кори головного мозку щура та бика супроводжується вилученням -cубодиниць з мембрани, бiльш ефективним для 1-iзоформи.
6. Встановлено, що пiдвищення iнактивуючого ефекту DS-Na (при збiльшеннi тривалостi обробки мiкросом детергентом, пiдвищеннi температури, кислотностi середовища, в присутностi MgCl2, в мiкросомах мозку молодих щурiв) супроводжується усуненням вiдмiнностей в стiйкостi iзоформ Na+,K+-АТР-ази мозку до детергенту лише в умовах термотропної модифiкацiї фiзичного стану лiпiдного матриксу (200С370С) та закисленнi середовища (рН 7,56,2).
7. Показано, що 1-iзоформа Na+,K+-АТР-ази мозку та нирок бика вiдноситься до глiкозидчутливого типу ферменту. В умовах частко вої термоiнактивацiї та дiї DS-Na уявна спорiдненiсть до уабаiну iзоформ Na+,K+-АТР-ази кори головного мозку щура та бика не змiнюється. Помiрна iнактивацiя Na+,K+-АТР-ази мозку фосфолiпазою А2 супроводжується зниженням її чутливостi до уабаїну у порiвняннi з нативним ферментом в умовах iнгiбування в процесi АТР-фосфогiдролазного циклу. Цей ефект усувається обробкою препаратiв сироватковим альбумiном для вилучення вiльних жирних кислот та не виявляється при збiльшеннi тривалостi iнгiбування та пiсля попередньої iнкубацiї ферменту з уабаїном в присутностi АТР,Na+,Mg2+.
8. Вперше показано,що в умовах Fe2+/аскорбат-залежного пероксидного окислення лiпiдiв,яке супроводжується необоротною iнактивацiєю ферменту i окисленням SH-груп бiлкiв в препаратах мембранозв'язаної Nа+,К+-АТР-ази кори головного мозку щура, iзоформи ферменту + в бiльшiй мiрi у порiвняннi з 1 чутливi до окисного iнгiбування, що вiдповiдає виявленим вiдмiнностям в SH-залежностi їх ферментативної активностi.
9. Тiосечовина блокує утворення малонового дiальдегiду i сповiльнює iнгiбування ферменту в системi "Fe2+/аскорбат". Спе цифiка чутливостi iзоформ до окислення не змiнюється i не залежить вiд накопичення малонового дiальдегiду. Одержанi данi свiдчать про можливiсть безпосереднього окисного ушкодження бiлкової молекули нейрональної Nа+,К+-АТР-ази у вiдповiдностi з iндивiдуальною оксидантною чутливiстю iзоформ.
10. Запропонована гiпотеза про iснування вiдмiнностей структурної органiзацiї бiлково-лiпiдних комплексiв iзоформ каталiтичної субодиницi Nа+,К+-АТР-ази мозку, обумовлених структурними особливостями лiпiдного оточення в нейрональнiй мембранi.
СПИСОК ОПУБЛIКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦIЇ
1. Капля А.А. (Монография). Структурная организация и функциональная роль изоферментов Na+,K+-ATP-азы.- Киев: Изд-во “Киевский университет”,1998.-162с.
2. Капля А.А., Кравцов А.В., Кравцова В.В., Горишняк В.П. Изоформы каталитической субъединицы Nа+,К+-АТР-азы мозга и их чувс твительность к уабаину//Нейрохимия.-1989.-8,N2.-С.216-223.
3. Капля А.А., Кравцов А.В., Кравцова В.В., Горишняк В.П. Электрофоретическая гетерогенность каталитической субъединицы Na+,K+-ATP-азы, индуцируемая термообработкой//Докл.АН УССР.Сер.Б.-1989.-N6.-С.59-61.
4. Капля А.А., Кравцов А.В. Изоформы каталитической субъединицы Nа+,К+-АТР-азы в тканях животных//Укр.биохим.журн.-1990.-62, N3.-С.17-30.
5. Капля А.А.,Кравцов А.В. Термолабильность +-изоформы ката литической субъединицы Nа+,К+-АТР-азы мозга//Укр.биохим.журн.-1990.-62,N4.- С.39-44.
6. Капля А.А., Кравцов А.В. Чувствительность Na+,K+-ATP-азы нейрональных мембран к уабаину//Укр.биохим.журн.-1992.-64,N4. С.38-43.
7. Капля А.А., Кравцов А.В., Кравцова В.В. Термочувствительность изоферментов Nа+,К+-АТР-азы мозга и почек//Укр.биохим.журн.- 1994.-66,N6. - С.58-66.
8. Капля А.А., Кравцов А.В., Кравцова В.В. Чувствительность изоформ каталитической субъединицы Nа+,К+-АТРазы мозга крысы к Ds-Na// Биохимия.-1995.-60,N6.-С.970-975.
9. Капля А.А., Кравцова В.В., Кравцов А.В. Стабильность рецепторной функции изоферментов Na+,K+-ATP-aзы мозга в условиях модификации их ферментативной активности// Укр.биохим.журн.-1995.-67, N5.-С.43-48.
10. Капля А.А., Кравцов А.В., Кравцова В.В. Активность изоферментов Nа+,К+-АТР-азы коры головного мозга и их чувствительность к додецилсульфату натрия в постнатальном онтогенезе крыс//Укр. биохим.журн.- 1996.-68,N1.-С.32-39.
11. Капля А.А., Кравцов А.В., Кравцова В.В., Берус Н.В. Термоиндуцируемая трансформация белково-детергентных комплексов каталитических субъединиц Na+,K+-ATP-азы почек и мозга при электрофорезе в ПААГ//Укр.биохим.журн.-1996.-68,N2.- С.51-57.
12. Капля А.А., Кравцова В.В., Кравцов А.В. Влияние фосфолипазы А2 из яда Naja naja oxiana на активность изоферментов Nа+,К+- АТРазы мозга крысы//Биохимия.-1996.-61,N6.-С.998-1005.
13. Капля А.А.,Кравцова В.В., Кравцов А.В. Инактивация изоформ каталитической субъединицы Nа+,К+-АТР-азы мозга додецилсульфатом натрия//Биол.мембр.-1997.- 14,N1.- C.73-82.
14. Капля А.А., Кравцов А.В. Инактивация Na+,K+-АТР-азы мозга крыс додецилсульфатом натрия: влияние рН, ионов магния, температуры// Укр. биохим. журн.-1997.-69,N4.-C.3-8.
15. Капля А.А. Структурная организация изоферментов Na+,K+-ATP-азы в плазматической мембране//Укр.биохим.журн.-1997. -69, N5-6.-C.12-24.
16. Капля А.А. Физиологическая и адаптационная значимость изоферментов Na+,K+-ATP-азы//Укр.биохим.журн.-1998.-70, N3.-С.3-11.
17. Капля А.А. Чувствительность изоформ каталитической субъединицы Na+,K+-ATP-азы мозга крысы к пероксидной модификации мембран//Укр.биохим.журн.-1998.-70,N4.-C.118-122.
18. Капля А.А., Кравцов А.В. Молекулярные механизмы рецепции сердечных гликозидов Na+,K+-ATP-азой// Успехи совр. биол.-1999.-119, N1.- С.84-94.
19. Капля А.А., Кравцов А.В., Кравцова В.В., Горишняк В.П. Изоформы каталитической субъединицы Na+,K+-ATФазы в ткани мозга// Международный симпозиум по транспорту ионов.Тезисы докладов.- Тби лиси,1989.-С.31.
20. Капля О.А., Кравцов О.В. Iзоформи каталiтичної субодиницi Na+,K+-ATP-ази:чутливiсть до протеолiзу, N-етилмалеiмiду,тер моiнактивацiї,уабаїну// VI Укр.бiохiм.з'їзд. Тези доповiдей, част.I.- Київ, 1992.-С.76.
21. Капля А.А., Кравцов А.В. Мембранные свойства изоферментов Na+,K+-ATPазы мозга крысы: различия в чувствительности к фосфоли пазе А2 и инактивации SDS// 3 Конференция биохимиков Узбекистана. Тезисы докладов.-Ташкент.-1996.-С.35.
22. Капля О.А., Кравцов О.В. Особливостi структурної органiзацiї бiлково-лiпiдних комплексiв iзоформ каталiтичної субо диницi Na+,K+-ATPази// VII Український бiохiмiчний з'iзд.Тези доповiдей,част.I-Київ.-1997.-C.41.
23. Kaplya A.A., Kravtsov A.V. Membrane-dependent properties of brain Na+,K+-ATPase isoenzymes// 4th European conference on engineering and medicine.Book of abstracts.-Warsaw.-1997.-P.395.
24. Капля О.А., Кравцов О.В. Iнактивацiя iзоформ каталiтичної субодиницi Na+,K+-ATP-ази мозку при мембранотропних впливах in vitro// II з'їзд українського бiофiзичного товариства.Тези доповiдей.-Харкiв.-1998.-С.105.
Капля О.А. Структурно-функцiональнi властивостi iзоформ каталiтичної субодиницi Na+,K+-ATP-ази при мембранотропних впливах. – Рукопис.
Дисертацiя на здобуття наукового ступеня доктора бiологiчних наук за спецiальнiстю 03.00.04 – бiохiмiя. – Iнститут бiохiмiї iм.О.В.Палладiна НАН України,Київ,1999р.
Дисертацiю присвячено дослiдженню особливостей функцiональної стiйкостi iзоформ каталiтичної субодиницi Na+,K+-ATP-ази мозку до мембранотропних впливiв in vitro для з'ясування закономiрностей їх функцiональних порушень в плазматичнiй мембранi. Вперше встановлено, що 1-iзоформа мембранозв'язаної Na+,K+-ATP-ази сiрої речовини мозку (у порiвняннi з +) має вищу чутливiсть до iнактивацiї фосфолiпазою А2 з отрути Naja naja oxiana, iнактивацiї та солюбiлiзацiї DS-Na, термостабiльнiсть та стiйкiсть до окисного iнгiбування в системi "Fe2+/аскорбат. Запропонована гiпотеза про iснування вiдмiнностей структурної органiзацiї бiлково-лiпiдних комплексiв iзоформ Na+,K+-ATP-ази мозку, обумовлених структурними особливостями лiпiдного оточення в мембранi. Данi свiдчать,що нейрональна Na+,K+-ATP-аза є безпосередньою мiшенню оксидантної дiї, специфiчної до SH-залежних уабаїнчутливих iзоформ (+), навiть в умовах, якi не супроводжуються пероксидною деструкцiєю лiпiдiв.
Ключовi слова: Na+,K+-ATP-аза,iзоформи каталiтичної субодиницi, модифікація мембран.
Капля А.А. Структурно-функциональные свойства изоформ катали тической субъединицы Na+,K+-ATP-азы при мембранотропных воздействиях. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук по специальности 03.00.04 – биохимия. – Институт биохимии им.А.В.Палладина НАН Украины,Киев,1999г.
Диссертация посвящена исследованию особенностей функциональной устойчивости изоформ каталитической субъединицы Na+,K+-ATP-азы мозга к мембранотропным воздействиям in vitro для выяснения закономерностей их функциональных нарушений в плазматической мембране. Впервые установлено, что 1-изоформа мембраносвязанной Na+,K+-ATP-азы серого вещества мозга (по сравнению с +) обладает более высокой чувствительностью к инактивации фосфолипазой А2 из яда Naja naja oxiana, инактивации и солюбилизации Ds-Na, термостабильностью и устойчивостью к окислительному ингибированию в системе "Fe2+/аскорбат". Предложена гипотеза о существовании различий структурной организации белково-липидных комплексов изоформ Na+,K+-ATP-азы мозга,обусловленных структурными особенностями липидного окружения в мембране. Данные свидетельствуют,что нейрональная Na+,K+-ATP-аза является непосредственной мишенью оксидантного действия,специфичного к SH-зависимым уабаинчувствительным изоформам (+), даже в условиях, не сопровождающихся пероксидной деструкцией липидов.
Ключевые слова: Na+,K+-ATP-аза, изоформы каталитической субъединицы, модификация мембран.
Kaplya A.A. Structural and functional properties of Na+,K+-ATP-ase catalytic subunit isoforms under membrane-disturbing influences. – Manuscript.
Thesis for doctor's degree on speciality 03.00.04 – biochemistry. O.V.Palladin Biochemistry Institute of National Academy of Sciences of Ukraine,Kyiv,1999.
The dissertation is devoted to investigation of the functional persistence of the receptor types of brain Na+,K+-ATP-ase catalytic subunit isoforms under membrane-disturbing influences in vitro for elucidation of the peculiarities of their functional disorders in plasma membrane.
The differenses in the electrophoretic properties in SDS of the hydrophobic proteins of the Na+,K+-ATP-ase -subunit isoforms after thermal solubilization of the cerebral cortex preparations prove that isoforms differ in their protein-detergent interactions.
The different susceptibility to thermal inactivation at 50-550C of brain Na+,K+-ATP-ase isoforms (higher for +) and 1-isoform of brain and kidney (higher for brain) reflects the differences in their structural stability in membrane.
The higher sensitivity of 1-isoform of membrane-bound Na+,K+-ATP-ase from cerebral cortex (in comparison to +) to phospholipase A2 from Naja naja oxiana venom was ascertained revealing the peculiarities of the isoform lipid dependence. Na+,K+-ATP-ase partial inactivation is accompanied by decrease of their apparent affinity to ouabain. This phospholipase effect was abolished after treatment of the preparations by serum albumin to remove fatty acids or after incubation of the enzyme at the optimal conditions for inhibitor binding.
In contrast to enzyme preparations from medulla oblongata the higher sensitivity of the Na+,K+-ATP-ase 1-isoform to SDS inactivation accompanied by its, at least partial, removal from the membrane, was also found in preparations from cerebral cortex. The differences in the sensitivity to SDS was eliminated after extraction of microsomes with the detergent at 370C under conditions of termotropic phase transition of the membrane lipids. The interpretation of the results is based on the assumed structural differences of isoform protein-lipid complexes dependent on the differences in structural organization of the boundary lipids of the neuronal Na+,K+-ATP-ase catalytic subunit isoforms,thus determining the differences in the sensitivity of Na+,K+-ATP-ase isozymes in viscotropic regulation of their functional activity.
The lower oxidant sensitivity of the 1-isoform in "Fe2+/ascorbate" system was revealed. Thiourea, the hydroxyl radical scavenger, effectively blocked malonic dialdehyde formation and reduced the rate of the Na+,K+-ATP-ase inactivation. The relative isoform sensitivity to oxidation is not changed. It is concluded that Na+,K+-ATP-ase is the direct target of the oxidative membrane damage specific to SH-dependent ouabain-sensitive isoforms (+) even in absence of peroxide lipid destruction.
The differences of the functional disorders of the "house-keeping" 1-isoform and specialized 2- and 3-isoforms of the neuronal Na+,K+-ATP -ase at some brain diseases and their specific sensitivity to membrane-disturbing agents are supposed.
Key words: Na+,K+-ATP-ase, catalytic subunit isoforms, membrane perturbation.