Двухкомпонентные системы
В конце 80-х слово "двухкомпонентные" было использовано для обозначения нового класса регуляторных систем, найденныху бактерий. На сегодняшний день описаны сотни таких систем у бактерий, архейи некоторых эукариот. Двухкомпонентные системы выступают в качестве основного механизма сопряжения реакции со стимулом, позволяющего организмам реагировать на многие изменения условий окружающей среды. Эти сигнальные системы достаточно сложны и характеризуются модульной организацией, хорошо адаптированной ко многим клеточным сигнальным путям интегрированной с ними.
Типичная двухкомпонентная система состоит из двух белков гистидиновой протеинкиназы (ГК), содержащей консервативный киназный домен и регулятора ответа (РО), содержащего консервативный регуляторный домен. Внеклеточные сигналы детектируются ГК, что приводит к изменению ее активности. Затем ГК передает фосфогруппу на РО. Ответ приводит к активации эффекторного домена этого белка, что и вызывает в конечном итоге физиологический ответ. В основе работы двухкомпонентной системы лежат три реакции, дающие два фосфорилированных продукта:
1. Автофосфорилирование ГК:
ГК-His + АТФГК-His~Ф + АДФ
2. Переносфосфата:
ГК-His~Ф + РО-Asp ГК-His + РО-Asp~Ф
3. Дефосфорилирование:
РО-Asp~Ф + H2O РО-Asp + PI
γ-фосфатиз АТФ сначала переносится на боковую цепь консервативного гистидинового остатка ГК (1). Затем РО катализирует перенос фосфата от фосфогистидина на аспартатный остаток своего регуляторного домена (2). Наконец, фосфат переносится от фосфоаспартата к воде в реакции гидролиза (3). Хоть ГК и похожи по своей основной функции (фосфорилирование белков) на "классические" Ser/Thr/Tyr киназы, химизм реакции принципиально отличается – ГК образует не фосфоэфирную, а фосфоамидную связь. Реакция гидролиза фосфоамидной связи имеет гораздо большее отрицательное значение ∆G по сравнению с гидролизом фосфоэфирной связи, поэтому равновесие р-и (1) сдвинуто в сторону нефосфорилированного белка ГК. Следовательно, только очень небольшой процент ГК существует в фосфорилированном виде следовательно не фосфорилирование ГК как таковое, а перенос фосфата является основным в работе этого фермента. Богатая энергией связь N~P идеально подходит для передачи фосфата. Именно поэтому такая же связь используется хорошо знакомыми вам ферментами I и II ФТС, основной функцией которых является также не фосфорилирование как таковое, а передача фосфата "по цепочке" в направление конечного акцептора – фосфорилируемого сахара.
В молекуле РО фосфорилируется остаток аспартата. Предположительно, именно этот остаток используется, т.к. фосфорилирование его длинной ацильной цепи вызывает протяженные конформационные изменения в молекуле РО, необходимые для изменения эффекторной активности.
Еще одним важным свойством фасфоаспартата является быстрый гидролиз ацилфосфата как в кислой, так и в щелочной среде. К тому же, многие РО имеют автофосфатазную активность, еще более уменьшающую время полужизни фосфоаспартата. Таким образом, основным результатом выбора для фосфорилирования специфических остатков в молекулах ГК и РО является высокая мобильность системы. При отсутствии стимула оба компонента будут дефосфорилированы. Детекция стимула гистидинкиназой вызовет ее фосфорилирование и очень быструю передачу фосфата молекуле регулятора ответа, что приведет к быстрому ответу бактерии на изменившиеся условия. В свою очередь, легкость дефосфорилирования молекулы РО приведет к быстрому возвращению всей регуляторной системы, а вместе с ней и метаболизма бактериальной клетки, в исходное (нефосфорилированное) состояние при исчезновении стимула, вызвавшего первоначальное фосфорилирование ГК.
