К настоящему времени в тканях человека и животных обнаружен ряд таких ферментов: КП B (КФ 3.4.17.2), КП N (КФ 3.4.17.3), КП M (КФ 3.4.17.12), КП U, КП H (КФ 3.4.17.10), ФМСФ-ингибируемая КП и др.

КП B, КП N, КП M, КП U и КП Н отщепляют аргинин и лизин с С-конца пептидов [50, 76, 91, 102, 104, 120, 122, 141, 142, 143, 227, 247]. КП B способнa также (но с меньшим сродством) отщеплять остатки ароматических аминокислот [50]. Все вышеперечисленные карбоксипептидазы, кроме КП U и КП Н, обладают и эстеразной активностью [50, 76, 91, 102, 104, 120, 122, 141, 142, 143, 144, 227, 247]. Причем у КП N и КП M она намного превышает пептидазную [91, 102, 104, 143, 227, 247].

КП Н имеет кислый оптимум рН 5,5-6,0 [185, 234]. Другие карбоксипептидазы проявляют максимальную активность в нейтральной либо слабощелочной среде. В частности, оптимум рН для КП B, КП N и КП M равны, соответственно, 7,0-9,0; 7,6 и 7,0 [50, 91, 102, 212, 227].

Ионы Со²⁺ повышают пептидазную активность КП B, КП N, КП M, КП Н [91, 143, 227, 247, 284], но снижают эстеразную активность КП B [284], а также пептидазную активность КП U [76, 142]. Ионы Cd²⁺ снижают активность КП B [284], КП N [143, 227], КП M [247]. Хелатирующие агенты (ЭДТА, о-фенантролин), и дикарбоновые кислоты, такие как ГПЯК, АПМЯК и ГЭМЯК, ингибируют КП В, КП N, КП M, КП Н [50, 76, 89, 91, 102, 142, 143, 144, 147, 196, 195, 212, 227, 247, 276].

Карбоксипептидазы КП B, КП N, КП M, КП U и КП H являются металлокарбоксипептидазами и содержат в своих активных центрах ионы Zn²⁺ [89, 108, 121, 143, 181, 262, 263].

КП В (Mr 34 кДа) [74], КП M (Mr 62 кДа) [91, 247] и КП Н [89, 181, 262] состоят из единственной полипептидной цепи. Остальные карбоксипептидазы состоят из нескольких субъединиц: КП N (Mr 280 кДа) – из четырех (двух с Mr 88 кДа, не обладающих ферментативной активностью, одной с Mr 55 кДа и одной с Mr 48 кДа) [173]; КП U – из восьми [144, 276].

Аминокислотные последовательности металлокарбоксипептидаз схожи между собой. В частности, аминокислотная последовательность активных субъединиц КП N на 43% идентична последовательности КП H, на 41% - КП M, на 29% - КП A и на 18% - КП B, аминокислотная последовательность КП M на 41% идентична КП H, на 15% - КП B и КП A [91, 246, 249].

КП B, КП N, КП M, КП U, КП H синтезируются в виде неактивных проформ, которые приобретают активность под действием трипсина или трипсиноподобных ферментов [89, 91, 92, 122, 141, 142, 181, 249].

Основные карбоксипептидазы отличаются распределением в тканях и органах.

КП B обнаружена в экзокринных клетках поджелудочной железы и в поджелудочном соке [50].

КП N присутствует в плазме крови, имеется единичная работа по обнаружению КП N в микросомах плаценты [161].

КП M широко распространена во всех органах и тканях. Наибольшая активность фермента обнаружена в человеческой плаценте, в 3-4 раза ниже - в почках, еще в 2-2,5 раза ниже - в легких [248]. В нервной ткани активность фермента на порядок ниже, чем в плаценте. Активность КП M в периферических нервах выше, чем в головном мозге [209].

Биологическая роль карбоксипептидаз разнообразна.

КП B участвует в переваривании белков пищи [212].

КП N, КП M, КП U, в отличие от КП B, способны вовлекаться в обмен различных пептидов. В частности, есть данные о том, что КП N (наряду с КП M и КП U) может вовлекаться в расщепление брадикинина [77, 91, 160, 239, 241, 247], инактивацию анафилотоксинов [69, 76, 141, 142, 229], а также (наряду с КП M) – в превращения предшественников энкефалинов [91, 247, 248]. Кроме этого, КП N способна участвовать в постсинаптической модификации креатинкиназы [270], енолазы [279]. Показано, что активность КП N изменяется при гипербрадикинизме и различных легочных заболеваниях (например, астме) [103].

Предполагают, что КП U вовлекается в процессы свертывания крови и локального воспаления при ревматоидном артрите [77].

Карбоксипептидаза Н

Карбоксипептидаза Н (КП Н, энкефалинконвертаза, карбоксипептидаза Е, КФ 3.4.17.10) впервые была выделена и охарактеризована в 1982 г. Fricker L.D. и Snyder S.H. из мозга, гипофиза и хромаффинных гранул надпочечников [120]. Она обладает, практически, абсолютной специфичностью по отношению к пептидным субстратам с С-концевыми основными аминокислотами [14, 16, 98, 275]. КП Н хорошо отщепляет остатки -Lys и -Arg от Arg⁸-вазопрессин-Gly-Lys-Arg, а также превращает ¹²⁵I-Met-энкефалин-Arg и ¹²⁵I-Met-энкефалин-Lys в ¹²⁵I-Met-энкефалин [147, 152]. Фермент отщепляет остатки -Lys¹⁵-Lys¹⁶-Arg¹⁷ с карбоксильного конца фрагмента АКТГ (АКТГ_1-14) и остатки -Arg с С-конца гиппурил-L-Arg и Leu-энкефалин-Arg [275]. КП Н с очень низким сродством отщепляет остаток гистидина с карбоксильного конца проокситоцина [215, 251].

Карбоксипептидаза Н является тиолзависимым металлоферментом, в активном центре которого находится Zn²⁺ [151, 152]. Фермент имеет оптимум рН 5,5-6,0 [98, 132, 152, 242, 281], pI 4,9 [185], ингибируется CuCl₂, HgCl₂, р-хлормеркурфенилсульфатом, АПМЯК, 2-меркаптометил-3-гуанидилэтилтиопропановой кислотой, ЭДТА и 1,10-фенантролином [98, 122, 147, 152]. Наиболее эффективными ингибиторами являются ГЭМЯК и ГПЯК с K_i 8,8 и 7,5, соответственно [89, 118, 234, 260]. КП Н ингибируется Met- и Leu-энкефалинами, веществом Р, вазопрессином, окситоцином, тиреотропин-рилизинг-фактором [150, 225, 235]. С окситоцином и АКТГ ингибирование проявляется уже при концентрации 2-20 мМ [150]. K_i для Met-энкефалина, Leu-энкефалина, Met-энкефалин-Arg⁶-Gly⁷-Leu⁸ и Met-энкефалин-Arg⁶-Phe⁷ равны, соответственно, 12,0, 6,5, 7,0 и 5,5 мМ [150]. Лизин и аргинин являются конкурентными ингибиторами КП Н. K_i для аргинина и лизина равны, соответственно, 4,6±1,3 и 7,6±1,9 [146]. Бромацетил-D-Arg, необратимый ингибитор КП В и КП N, также ингибирует и КП Н [118]. Сульфат цинка, хлорид кальция, N-этилмалеимид и ФМСФ не влияют на активность КП Н [98]. Фермент активируется ионами Co²⁺ в 5-10 раз, ионами Ni²⁺ в 2-3 раза, [89, 98, 122, 152, 234, 259, 260]. КП Н способна связывать ионы Ca²⁺ [211]. При повышенной температуре она дестабилизируется ионами Ca²⁺ и стабилизируется низкой концентрацией этиленгуанидинтетрауксусной кислотой [211]. Ионы Ca²⁺ не влияют на активность фермента [211]. Этиленгуанидинтетрауксусная кислота в микромолярных концентрациях активирует КП Н. В этом случае происходит изменение V_max, а не K_m [211]. Уменьшение pH и увеличение концентрации ионов Ca²⁺ индуцируют агрегацию данного фермента [255]. Освобождение КП Н и инсулина из изолированных клеток Лангерганса крысы ингибируется удалением ионов Ca²⁺ из среды [135, 136].

Таким образом, присутствие ионов Ca²⁺ в среде может способствовать тепловой дестабилизации КП Н, а также агрегации ее в проводящих путях комплекса Гольджи и освобождению из клетки.

Ген КП Н был клонирован и секвенирован [48, 187, 232]. Транскрипция КП Н осуществляется с единственного сайта транскрипции [250]. мРНК КП Н состоит из 2100 нуклеотидов [114].

КП Н синтезируется в виде предшественника с Mr 75 кДа, состоящем из 476 аминокислотных остатков [154, 232, 254] (у морского черта Lophius americanus – из 454 [184]). Он, предположительно, содержит сигнальный пептид. Затем проКП Н с Mr 65-75 кДа подвергается посттрансляционному С- и N-концевому [133, 149, 232]. Этот процесс идет в секреторных везикулах под действием прогормон-конвертазоподобного фермента [116, 253].

Во всех органах и тканях КП Н представлена в двух формах: растворимой и мембраносвязанной. Обе формы являются гликопротеинами, имеют сходные свойства (идентичную субстратную специфичность и чувствительность к групп-специфичным реагентам) и отличаются активностью (растворимая более активна). Mr мембранной формы 55-57 кДа, Mr растворимой формы 53-57 кДа [15, 17, 89, 98, 132, 134, 147, 153, 154, 259, 262, 281].

Следует отметить, что с повышением рН мембраносвязанная форма становится неустойчивой и переходит в растворимую. По-видимому, это связано с комбинированными полярными и гидрофобными взаимодействиями карбоксильного конца пептида [115, 134]. Имеются сведения о том, что мембранная форма кп н (57 кДа) связана с эндоплазматическим ретикулумом и элементами комплекса Гольджи, а растворимая форма кп н (54 кДа) – с секреторными гранулами [133]. Соотношение мембраносвязанной и растворимой форм КП Н в разных клетках и тканях отличается. В частности, в клетках линий RIN 1046-38 и RIN 1046-44 75% зрелой КП Н обнаружено в мембраносвязанной форме [107]. С другой стороны, в передней и задней долях гипофиза 70% всей активности КП Н представлено растворимой формой [222].

В настоящее время обнаружено несколько видов мембраносвязанной и растворимой форм фермента, отличающихся по молекулярной массе. В растворимой фракции очищенных секреторных гранул, содержащих инсулин, выявлена форма КП Н с Mr 55 кДа [89]. В передней доли гипофиза обнаружено две формы КП Н – с Mr 56 и 53 кДа, а в задней – только форма с Mr 53 кДа. Эти формы имеют сходные каталитические свойства [222, 223]. Различия в молекулярной массе мембраносвязанной и растворимой форм КП Н, по-видимому, связано с наличием у первой, так называемого ”мембранного якоря”. С-концевая область мембраносвязанной КП Н (51 аминокислотный остаток) образует амфифильную a-спираль, которая и может служить гидрофобным ”мембранным якорем” [105, 206, 271]. С другой стороны, D. Parkinson [222, 223] высказывает сомнения относительно возможности перехода мембраносвязанной формы в растворимую посредством С-концевого протеолиза.

Уровни мРНК КП Н и активности КП Н в мозге и тканях в целом коррелируют между собой [66, 114]. мРНК КП Н и ферментативная активность обнаружена в клонах эндокринных клетках – AtT-20, GH-3, GH4C1 и неэндокринных – L, 3T3, SK-HEP-1, HEK293, COS, C127 [100, 163]. Наивысшие уровни мРНК КП Н обнаружены в пирамидальных клетках гиппокампа, в передней и промежуточной долях гипофиза, эпендимных клетках боковых желудочков мозга, базолатеральной миндалине, супраоптическом и паравентрикулярном ядрах. Средние уровни мРНК КП Н у крыс обнаружены в таламусе, медиальном коленчатом ядре, коре мозжечка и промежуточной оливе. Наименьшие уровни выявлены в гранулярном клеточном слое гиппокампа, латеральном гипоталамусе, бледном шаре и в ретикулярной формации ножки мозга [183].

Высокая экспрессия мРНК КП Н отмечена в паравентрикулярном и супраоптическом ядрах гипоталамуса – местах преимущественного синтеза окситоцина и вазопрессина [72]. Обнаружено увеличение концентрации мРНК КП Н при увеличении содержания этих двух пептидов [72]. В то же время, в других зонах мозга с высоким уровнем нейропептидов не наблюдается изменений уровня мРНК КП Н при осмотической стимуляции [72].

Отделы мозга отличаются по уровню активности КП Н более чем в 10 раз. Распределение активности этой карбоксипептидазы в целом соответствует распределению нейропептидов [18, 25, 122, 182]. Максимальная активность растворимой формы фермента обнаружена в гипофизе: в передней доли – в 20 раз больше, чем в задней [122, 180, 222, 256, 262]. Далее по мере снижения активности следуют стриатум, гиппокамп, кора больших полушарий, таламус с гипоталамусом, средний мозг и мозжечок [256]. При этом в гипоталамусе высокая активность КП Н обнаружена в медиальном возвышении, супраоптическом, паравентрикулярном и супрахиазматическом ядрах [180]. Супраоптическое ядро (богатое телами нейронов) содержит, в основном, неактивную 65 кДа форму КП Н. Срединное возвышение и гипофизарная ножка – богатые аксонами области – содержат формы КП Н как с Mr 65 кДа, так и с Mr 55 кДа. Нервные окончания задней доли гипофиза содержат, в основном, форму КП Н с Mr 55 кДа [149]. В стриатуме высокое содержание имуннореактивной КП Н отмечено в стриасомах (клетках богатых веществом Р) [81, 225]. В гиппокампе КП Н обнаружена в пирамидальных клетках и во внутренней части молекулярного слоя зубчатой извилины. Фермент также обнаружен в центральных нейронах миндалины [180]. Кроме этого, активность КП Н обнаружена в сердце – правом и левом предсердиях (активность в тканях желудочков очень низкая) [181, 182]. Имеются сведения о наличии активности КП Н в водянистой жидкости глаза человека [220]. Тканевое и региональное распределение КП Н сходно у разных видов животных (например, у быка, крысы, мыши, акулы, Xenopus и Aplysia) и человека [117, 165].

 В клетке КП Н локализована, в основном, в секреторных гранулах, причем часто совместно с биологически активными пептидами – инсулином [133], глюкагоном [6, 253], энкефалинами [46, 49], АКТГ [54], вазопрессином [57], окситоцином [58], веществом P [59], атриальным натрийуретическим фактором [38].

Следует отметить, что уровень мРНК КП Н способен быстро изменяться в ответ на внешние воздействия. В частности, уровень мРНК КП Н повышается в ганглионарных клетках сетчатки глаза сразу после смены условий освещенности, особенно при смене темноты на свет. Однако в это же время снижается количество самого белка КП Н. В темноте КП Н экспрессируется в фоторецепторных клетках. На свету экспрессия КП Н резко индуцируется в ганглионарных клетках сетчатки глаза, а в фоторецепторных клетках экспрессия снижается [237].

Уровень мРНК КП Н увеличивается под действием галоперидола в промежуточной и задней долях гипофиза; в клетках PC12 (клеточная линия феохромоцитомы крыс) – под влиянием фактора роста нервов [87, 131, 172, 221, 268]. Короткое (1-3 ч) воздействие 50 мМ раствора KCl стимулирует секрецию КП Н клетками РС12 без синтеза белка фермента. Пролонгированное (24-48 ч) действие раствора KCl стимулирует секрецию КП Н без изменения внутриклеточного уровня КП Н. При этом уровень мРНК КП Н не изменяется после 2-х часов воздействия, увеличивается на 35% после 5 часов и на 75% после 24-72 часов воздействия [87].

В клетках GH4C1 (из переднего гипофиза крысы, продуцирующие пролактин) 50 мМ раствор KCl увеличивает секрецию КП Н и пролактина в 10 раз, а 100 мМ тиреотропин-рилизинг фактор – в 2-3 раза [119]. Кроме того, эстрадиол (1 нМ), инсулин (300 нМ) и фактор роста эпидермиса (10 нМ) увеличивают внутриклеточный уровень КП Н в 2 раза по сравнению с контролем. K_m при этом не изменяется, но увеличивается V_max [119].

Бромкриптин вызывает снижение уровня мРНК КП Н в промежуточной доли гипофиза [221].

C. Rodriguez и соавт. обнаружили, что действие дексаметазона на клетки AtT-20 снижает уровень мРНК КП Н и мРНК проопиомеланокортина примерно на 30% [232]. С другой стороны, прибавление кортикотропин-рилизинг фактора к клеткам, которые подвергались воздействию дексаметазона, вызывает 2-3-х кратное увеличение уровня мРНК КП Н и мРНК проопиомеланокортина [232]. Авторы считают, что уровни мРНК проопиомеланокортина и мРНК КП Н согласованно регулируются кортикотропин-рилизинг фактором и стероидными гормонами. При действии кортикотропин-рилизинг фактора на клетки AtT-20, не подверженные действию дексаметазона, происходит возрастание активности КП Н [186].

При хроническом прибавлении дексаметазона, кортикостерона, кортикотропин-рилизинг фактора, соматостатина к клеткам линии AtT-20/D16v уровень мРНК КП Н и активность КП Н не изменяются [186, 265].

При внутрибрюшинном введении дексаметазон и гидрокортизон (в дозах 1 и 100 мг на кг массы тела, соответственно) снижают активность растворимой и мембраносвязанной формы КП Н в гипофизе, гипоталамусе и стриатуме крыс, но динамика влияния во времени отличается [10]. В изученные интервалы (0,5, 4 и 24 часа после инъекции) дексаметазон сильнее подавляет активность в начальный период, тогда как действие гидрокортизона более выраженно через 24 часа после введения. In vitro дексаметазон и гидрокортизон не оказывают влияния на активность КП Н [10]. Авторы предполагают, что снижение активности КП Н in vivo происходит за счет снижения синтеза мРНК КП Н.

Smith D.R. и соавт. [250] предполагают, что экспрессия гена КП Н регулируется тиреоидными гормонами. В частности, они установили, что экспрессия гена КП Н в переднем гипофизе крыс стимулируется при системном недостатке тиреоидных гормонов.

С возрастом у самцов крыс активность КП Н изменяется следующим образом. У эмбрионов мРНК КП Н экспрессируется как в нервной (таламус, гипоталамус, средний и продолговатый мозг, кортикальная пластинка и спинной мозг, а также периферические ганглии), так и в других тканях (сердце и первичные хрящи) [283]. В постнатальном периоде практически во всех отделах мозга, в частности в гипофизе и гипоталамусе, а также в надпочечниках, активность данного фермента повышалась со дня новорожденности до 30-го дня постнатального периода. У 90-дневных самцов отмечено некоторое снижение активности КП Н. Наибольшая активность исследуемого фермента обнаружена у 120-дневных крыс. В семенниках активность КП Н снижалась в период со дня новорожденности до 10-го дня, затем повышалась до максимального уровня к 30-му дню постнатального периода. Далее вплоть до 120-дневного возраста, активность этого фермента практически не изменялась [12, 85].

Таким образом, в большинстве органов (за исключением семенников) обнаружено повышение активность КП Н с минимального уровня у новорожденных до максимального у 120-дневных крыс.

Следует отметить, что в постнатальном развитии (вплоть до половозрелого состояния) увеличивается содержание ряда нейропептидов [62], при этом зрелые формы нейропептидов преобладают над их предшественниками [197]. Все это позоляет сделать предположение о наличии связи между изменениями активности КП Н и уровня нейропептидов в онтогенезе.

Имеются также данные о половых отличиях в активности КП Н [44]. Наибольшие различия (в частности, в гипоталамусе) отмечены непосредственно в период полового созревания. Начиная с 90-дневного возраста, достоверные половые различия в активности данного фермента обнаружены лишь в почках и половых железах. Особенно это выражено у 120-дневных крыс.

Таким образом, в период полового созревания различия в уровне активности КП Н между самцами и самками отмечены практически во всех органах (гипофиз, гипоталамус и половые железы), отвечающих за половую дифференцировку организма. В то же время, у половозрелых животных (120-дневных) различия сохраняются лишь в гонадах.

Имеются сведения о том, что инъекции увеличивающихся доз ГЭМЯК в желудочки мозга приводят к дозозависимому снижению уровня Met- и Leu-энкефалинов в гипоталамусе крыс. При этом отсутствовали измененения в содержании β-эндорфина и динорфина_1-17. Введение ГЭМЯК увеличивало содержание лютеинизирующиего гормона (ЛГ) и гонадотропин-рилизинг-фактора (ГнРФ) на 75% и снижало уровень пролактина в плазме крови на 60% [71].

Обнаружено, что синдром ожирения связан с мутацией в гене, кодирующем КП Н (единичная точечная мутация Ser202 на Pro). Она уменьшает эффективность процессинга прогастрина, при этом наблюдается повышение синтеза прогастрина и сохранение почти нормальной продукции биологически активных гастринов [170, 269]. Кроме того, эта мутация у мышей линии fat/fat приводит к нарушениям процессинга проинсулина (и нарушению внутриклеточного фолдинга КП Н) [83, 158, 159, 210, 272, 273]. У мышей мембраносвязанная КП Н выступает в роли сортирующего рецептора – специфически связывает белки, проходящие через регулируемый секреторный путь. В частности, КП Н секреторных гранул гипофиза быка, связывает проинсулин, проэнкефалин и N-проопиомеланокортин_1-26 со сходной кинетикой [83]. Это связывание происходит с низким сродством и является ионозависимым [83]. При дефиците КП Н гормоны гипофиза секретируются через нерегулируемый секреторный путь. В частности, происходит неправильный внутриклеточный транспорт проопиомеланокортина и гормона роста через конститутативный путь [240], а также нарушение созревания про-нейротензина и промеланоцитстимулирующего гормона [236]. Это приводит к многочисленным эндокринным нарушениям, включая гиперинсулинемию и бесплодие [84, 178].

Физико-химические свойства, субстратная специфичность, тканевая, клеточная и субклеточная локализация, особенности изменения активности фермента при различных фармакологических воздействиях на культуры клеток, нарушение синтеза нейропептидов у мышей с дефектной КП Н свидетельствуют о том, что исследуемый фермент вовлекается в процессинг многих биологически активных пептидов, таких как вазопрессин, окситоцин, нейротензин и меланоцитстимулирующий горомон, вещество Р, энкефалины и др. [122, 147, 148, 152, 182, 215, 225, 235, 236, 275]. Кроме того, изменение уровня мРНК КП Н и активности фермента под действием глюкокортикоидов [10, 186, 232, 265], половые отличия в уровне активности фермента [44], обусловливают интерес к изучению КП Н при введении половых стероидных гормонов.