Химические реакции, протекающие в клетках, катализируются ферментами. Неудивительно поэтому, что большинство способов регуляции обмена веществ основано на двух ведущих процессах: изменении концентрации ферментов и их активности. Эти способы регуляции метаболизма характерны для всех клеток и осуществляются с помощью разнообразных механизмов в ответ на сигналы разного рода. Кроме этого, клетки владеют дополнительными способами регуляции метаболизма, многообразие которых удобно рассмотреть в соответствии с несколькими уровнями организации.
Регуляция на уровне транскрипции . Этот тип регуляции рассмотрен в главе 3 на нескольких примерах положительного и отрицательного контроля транскрипции прокариотических генов. Данный механизм характерен, в первую очередь, для регуляции количества мРНК, определяющих структуру ферментов, а кроме этого - белков-гистонов, рибосомальных, транспортных белков. Группа последних, не обладая каталитической активностью, также принимает большое участие в изменении скорости соответствующих процессов (формирование хромосом и рибосом, транспорт веществ через мембраны), а значит, и метаболизма в целом.
В регуляции транскрипции генов участвуют регуляторные белки, структура которых определяется специфическими генами (регулято-рами), их комплексы с лигандами (например, лактозой при индукции транскрипции или триптофаном при репрессии), комплексы сАМР-САР, гуанозинтетрафосфат, а в некоторых случаях таким действием обладают белки - продукты экспрессии собственных генов. Особое значение в данных процессах имеют такие важные сигнальные молекулы, как сАМР и гуанозинтетрафосфат. Можно сказать, что сАМР сигнализирует клетке об энергетическом голоде-отсутствии глюкозы. В ответ на это увеличивается частота транскрипции структурных генов, отвечающих за катаболизм других источников углерода и энергии (активация катаболитных оперонов, катаболитная репрессия, глава 3). Гуанозинтетрафосфат (гуанозин-5’-дифосфат-3’-дифосфат) является сигналом аминокислотного голодания. Этот нуклеотид связывается с РНК-полимеразой и изменяет ее сродство к промоторам различных генов. В реультате экспрессия генов, ответственных за биосинтез углеводов, липидов, нуклеотидов и др. уменьшается, а экспрессия других генов, в частности детерминирующих процессы протеолиза белков, наоборот, повышается.
Процесс транскрипции чаще регулируется с помощью изменения частоты событий инициации транскрипции, но, кроме этого, могут регулироваться скорость элонгации транскрипции и частота ее преждевременной терминации. На события элонгации и терминации первостепенное влияние оказывает конформационное состояние ДНК или самой мРНК (наличие «стоп-сигналов», шпилечных структур).
Аллостерическая регуляция активности ферментов . Этот тип регуляции является одним из самых быстрых и гибких, он осуществляется с помощью молекул-эффекторов, взаимодействующих с аллостерическим центром фермента (глава 6). Аллостерической регуляции, как и оперонной, подвержены ключевые ферменты тех или иных метаболических путей. Таким образом, скорость всего биосинтетического или катаболического процесса зависит от одной, реже нескольких реакций, катализируемых ключевыми ферментами.
Особое значение регуляция имеет для процессов биосинтеза протеиногенных аминокислот. Поскольку их 20, и каждая в суммарном клеточном белке у разных организмов представлена в определенном отношении, требуется очень четкая регуляция, координирующая процессы синтеза отдельных аминокислот. Такой контроль исключает перепроизводство аминокислот, и выделение их из клетки возможно лишь у микроорганизмов с нарушенной регуляцией.
Пример регуляции биосинтеза аминокислот семейства аспартата у энтеробактерий представлен на рис. 19.3. Четыре аминокислоты имеют общий предшественник - аспарагиновую кислоту. Ее превращение в аспартилфосфат у бактерий E.coli катализируют три изоферментные формы аспартокиназы, каждая из которых испытывает репрессию и/или ингибирование со стороны разных конечных продуктов данного разветвленного метаболического пути. Аналогичным способом регулируется синтез гомосериндегидрогеназы.
Обращает на себя внимание существование механизма обратной связи , который заключается в том, что конечные продукты метаболических процессов регулируют уровень синтеза и/или активность ферментов, катализирующих первые этапы образования этих метаболитов.
Аллостерическими эффекторами могут выступать самые различные вещества: субстраты и конечные продукты метаболических путей, иногда - промежуточные метаболиты; в катаболических процессах-нуклеозиддифосфаты и нуклеозидтрифосфаты, а также переносчики восстановительных эквивалентов; в каскадных реакциях - сАМР и сGMP, которые регулируют активность ферментов (например, протеинкиназ), участвующих в ковалентной модификации белков; ионы металлов и множество иных соединений. Примеры аллостерической регуляции ферментов приведены в главе 6 и др. разделах.
Ковалентная модификация ферментов . Этот тип регуляции активности ферментов иначе называют взаимопревращениями ферментов, поскольку суть данного процесса состоит в превращении активных форм ферментов в неактивные и наоборот. Особенности и примеры ковалентной модификации описаны в главе 6. Эти процессы находятся под разнообразным контролем, в том числе и гормональным. Классическим примером взаимопревращений ферментов является регуляция метаболизма гликогена в печени.
Скорость синтеза этого резервного полисахарида находится под контролем гликоген-синтазы, а расщепление катализируется гликогенфосфорилазой. Оба фермента могут пребывать в активной и неактивной формах. При голодании или в стрессовых ситуациях в кровь выделяются гормоны - адреналин и глюкагон, которые связываются с рецепторами на плазматических мембранах клеток и активируют при посредничестве G-белков фермент аденилатциклазу (катализирует синтез сАМР). сАМР связывается с протеинкиназой А и активирует ее, что приводит к фосфорилированию гликоген-синтазы и переводу ее в неактивную форму. Гликоген перестает синтезироваться. Кроме этого, протеинкиназа А в ходе каскадных реакций вызывает фосфорилирование гликоген-фосфорилазы, которая в результате активируется и начинает расщеплять гликоген. На процессы синтеза и распада гликогена действует также другой гормон-инсулин. В этом примере сигнальными молекулами служат гормоны, а посредниками - G-белок и сАМР. Взаимопревращения ферментов осуществляются в ходе фосфорилирования-дефосфорилирования.
Гормональная регуляция. Этот тип регуляции метаболизма предусматривает участие гормонов - сигнальных веществ, образующихся в клетках эндокринных желез, поэтому гормональная регуляция свойственна только высшим организмам. Выше описано действие гормонов на процесс обмена гликогена, в котором регулируется активность ферментов на уровне ковалентной модификации. Кроме этого, гормоны способны оказывать воздействие на скорость транскрипции (оперонная регуляция).
Из специализированных клеток, где происходит синтез гормонов, последние поступают в кровь и переносятся к клеткам-мишеням, имеющим рецепторы, способным связывать гормоны и тем самым воспринимать гормональный сигнал. Связывание гормона рецептором запускает каскад реакций с участием молекул-посредников, которые завершаются клеточным ответом. Липофильные гормоны связываются с внутриклеточным рецептором (белок) и регулируют транскрипцию определенных генов. Гидрофильные гормоны действуют на клетки-мишени за счет связывания с рецепторами на плазматической мембране.
Кроме гормонов, аналогичным действием обладают другие сигнальные вещества: медиаторы, нейромедиаторы, ростовые факторы. Четкой границы, позволяющей отличать гормоны от перечисленных веществ, нет. Медиаторами называют сигнальные вещества, которые продуцируются не железами внутренней секреции, а различными типами клеток. К медиаторам относят гистамин, простагландины, которые обладают гормоноподобным действием.
Нейромедиаторами считают сигнальные вещества, продуцируемые клетками центральной нервной системы.
Изменение концентрации метаболитов . Важным условием, обеспечивающим высокую скорость того или иного метаболического пути, является концентрация субстратов. Она может зависеть от интенсивности протекания других процессов, в которых также расходуются эти субстраты (конкуренция), или от скорости транспорта данных веществ через мембраны (плазматическую или органелл). В частности, у эукариотических клеток появляется возможность регулировать метаболизм, перераспределяя метаболиты по отдельным компартментам.
Кроме этого, скорость метаболических процессов определяется концентрацией кофакторов. Например, гликолиз и ЦТК регулируются доступностью ADP (глава 10, 11) на уровне изменения активности ключевых аллостерических ферментов.
Посттранскрипционная и посттрансляционная модификация макромолекул . Эти процессы также описаны в соответствующих разделах (глава 3). Модификация и/или процессинг первичных РНК-транскриптов осуществляются с разной скоростью, от чего зависит концентрация зрелых молекул РНК, способных транслироваться, а значит, и интенсивность белкового синтеза. В свою очередь, пептиды, прежде чем превратиться в зрелый белок, также должны модифицироваться, и если это касается ферментов, то речь идет об их ковалентной модификации.
Живая клетка – это открытая система, которая постоянно обменивается с внешней средой веществами и энергией. В клетку поступают питательные вещества, которые используются в качестве строительного и энергетического материала, из клетки выводятся конечные продукты метаболизма.
В клетке постоянно происходит большое количество разнообразных химических реакций, которые формируют метаболические пути – последовательность превращения одних соединений в другие. Метаболизм – совокупность всех метаболических путей, протекающих в организме.
Выделяют – катаболизм (распад сложных веществ до простых с высвобождением энергии) и анаболизм (синтез более сложных веществ из простых веществ).
Все пути согласованы между собой во времени и пространстве. Эта согласованность протекания метаболических процессов обеспечивается сложными механизмами регуляции.
Организация химических реакций в метаболические пути
Оптимальная активность ферментов, регулирующих реакции метаболического пути, достигается благодаря определенной организации в клетке.
Пространственная локализация ферментов
Большинство ферментов локализовано внутри клетки, причем ферменты одного метаболического пути находятся в одном отделе клетки. Разделение метаболических путей важно для противоположно направленных процессов. Например, синтез жирных кислот происходит в цитоплазме, а их распад в митохондриях. Если бы такого разделения не существовало, то возникали бы бесполезные с физиологической точки зрения пути.
В метаболических путях продукт первой реакции служит субстратом второй и так далее до формирования конечного продукта. Промежуточные продукты одного пути могут высвобождаться из последовательных реакций и использоваться в других метаболических путях, т.е. все метаболические пути связаны между собой.
Пространственная организация ферментов может быть настолько выражена, что продукт реакции не может быть вычленен из метаболического пути и обязательно служит субстратом следующей реакции.
Такая организация метаболического пути называется мультиферментным комплексом. Эти комплексы связаны с мембранами. Пример такого комплекса – пируватдегидрогеназный комплекс, под действием которого происходит окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты.
Структура метаболических путей
Метаболические пути подразделяются на 4 типа. Если субстрат превращается в один продукт, то такой путь называется линейным (гликолиз). Чаще встречаются разветвленные пути – когда синтезируются разные продукты в зависимости от потребности клетки (синтез нуклеотидов). Также существуют циклический (цикл трикарбоновых кислот) и спиральный (β-окисление жирных кислот) метаболические пути.
Органоспецифичность
Ферменты находятся во всех клетках организма. В процессе дифференцировки клеток изменяется и их ферментный состав. Например, фермент аргиназа, участвующая в синтезе мочевины, находится в клетках печени. Это так называемый органоспецифичный фермент.
Компартментализация
Функционирование клетки обеспечивается пространственной и временной регуляцией метаболических путей. Пространственная регуляция связана с локализацией определенных ферментов в различных органеллах. В ядре находятся ферменты, связанные с синтезом ДНК и РНК, в цитоплазме – ферменты гликолиза, в лизосомах – гидролитические ферменты, в митохондриях – ферменты цикла трикарбоновых кислот и цепи переноса электронов.
Принципы регуляции метаболических путей
Все химические реакции в клетке протекают при участии ферментов. Чтобы воздействовать на скорость протекания метаболического пути, достаточно регулировать количество или активность ферментов. В каждом метаболическом пути есть ключевые ферменты, которые регулируют скорость всего пути. Эти ферменты называются регуляторными.
Регуляция скорости ферментативных реакций осуществляется на 3 уровнях:
Изменение количества молекул фермента
Доступность субстрата и кофермента
Изменение каталитической активности фермента
Регуляция количества молекул фермента в клетке
В клетке постоянно происходит синтез и распад белковой молекулы фермента
Аминокислоты Фермент
Регуляция синтеза фермента может происходить на любой стадии формирования белковой молекулы. Наиболее изучена регуляция синтеза белковой молекулы на уровне транскрипции, которая осуществляется гормонами и биологически активными молекулами. Распад ферментов менее изучен.
Регуляция скорости ферментативной реакции доступностью субстрата и кофермента
Главным и необходимым параметром, регулирующим скорость метаболического пути, является наличие первого субстрата. Чем выше его концентрация, тем выше скорость метаболического пути.
Другим параметром является наличие регенерированных коферментов. В реакциях дегидрирования коферментом дегидрогеназ служат окисленные формы НАД+, ФАД, ФМН, которые восстанавливаются в ходе реакции. Чтобы коферменты вновь участвовали в реакции, необходимо, что они вновь превратились в окисленную форму.
Регуляция каталитической активности фермента
Аллостерическая регуляция
Регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий
Регуляция путем фосфорилирования/дефосфорилирования фермента
Регуляция протеолизом
Аллостерическая регуляция
Ферменты, имеющие такой механизм регуляции являются, как правило, олигомерными белками. Они состоят из нескольких (не менее 2 х) субъединиц, имеют активный и аллостерический центры, которые находятся на разных субъединицах. Присоединение эффектора (клеточного метаболита) в аллостерический центр вызывает кооперативные конформационные изменения всех протомеров.
Если в аллостерическом центре связывается эффектор (активатор), повышается связывание субстрата в активном центре и возрастает скорость реакции, которую катализирует этот фермент. Конформационные перестройки в активном центре фермента повышают или понижают его сродство к субстрату.
При увеличении в клетке концентрации активатора возрастает скорость его связывания в аллостерическом центре. Изменяется конформация регуляторной субъединицы фермента, происходят кооперативные конформационные изменения в ферменте, изменяется конформация активного центра фермента, повышается сродство фермента к субстрату и скорость ферментативной реакции. При понижении концентрации аллостерического активатора снижается скорость связывания регуляторного лиганда в аллостерическом центре. Изменяется конформация регуляторной субъединицы, происходят кооперативные конформационные изменения в ферменте, изменяется конформация активного центра, снижается сродство к субстрату и понижается скорость реакции.
Если же эффектором является ингибитор, то сродство фермента к субстрату и скорость превращения его в продукт снижаются.
Аллостерические ферменты регулируют скорость метаболических путей, которые представляют собой последовательность взаимосвязанных реакций, катализируемых разными ферментами
Е1 Е2 Е3 Е4
Вещество S превращается в продукт Р в результате 4 последовательных ферментативных реакций. Продукт одной реакции служит субстратом следующей.
Аллостерические ферменты катализируют:
Необратимые или частично обратимые реакции
Самые медленные, ключевые реакции
Реакции в местах разветвления метаболического пути
Регуляторные молекулы:
Конечные продукты метаболических путей
Субстраты метаболических путей
Промежуточные метаболиты или специфические молекулы
Например, катаболизм глюкозы до СО 2 и Н 2 О регулируется аллостерически.
Е1 Е2 Е3 Ем
глюкоза В С М N ….. ……. СО 2 , Н 2 О, АТФ
Значение данного процесса состоит в синтезе АТФ в клетке за счет катаболизма глюкозы. При увеличении отношения АТФ/АДФ скорость реакций данного метаболического пути снижается. Из представленной выше последовательности ферментативных реакций аллостерическим является Е3, так как он катализирует необратимую самую медленную реакцию.
При повышении уровня АТФ в клетке
АТФ взаимодействует с аллостерическим центром фермента Е3
Происходят кооперативные конформационные изменения фермента Е3
Снижается сродство Е3 к субстрату
Понижается активность и замедляется реакция катализируемая ферментом Е3
Понижается скорость метаболического пути
Раздел 2 1. Аллостерическая модуляция
При аллостерической модуляции регуляторный фермент имеет в своей структуре один или несколько аллостерических центров, способных высоко избирательно взаимодействовать с низкомолекулярными соединениями аллостерическими модуляторами. В результате этого взаимодействия изменяется конформация белка-фермента, в том числе несколько изменяется и структура активного центра, что сопровождается изменением эффективности катализа. Если каталитическая активность фермента при этом возрастает, мы имеем дело с аллостерической активацией; если же активность фермента падает, то речь идет об аллостерическом ингибировании. Связывание аллостерического модулятора с аллостерическим центром фермента идет за счет слабых взаимодействий, поэтому оно легко обратимо: при снижении концентрации модулятора в среде окружения комплекс фермент-модулятор диссоциирует и фермент восстанавливает свою исходную конформацию, а следовательно, и каталитическую активность.
В качестве аллостерических модуляторов в клетке выступают обычно промежуточные метаболиты или конечные продукты того или иного метаболического пути. Наиболее часто встречается вариант аллостерической регуляции, известный под названием ретроингибирования или ингибирования по принципу отрицательной обратной связи. В этом случае конечный продукт метаболического пути ингибирует по аллостерическому механизму активность регуляторного фермента, катализирующего одну из начальных реакций того же метаболического пути: Так регулируются в клетках, например, метаболические пути, отвечающие за синтез пуриновых или пиримидиновых нуклеотидов.
В качестве второго варианта аллостерической регуляции можно привести механизм активации предшественников. В этом случае один из промежуточных метаболитов, образующихся в начале метаболического пути, выступает в качестве аллостерического активатора того или иного фермента, катализирующего одну из конечных реакции того же самого метаболического пути:…. Примером может служить активация пируваткиназы фруктозо-1,6-бисфосфатом в метаболическом пути окислительного распада глюкозы.
Разумеется, совершенно не обязательно, чтобы в качестве аллостерического модулятора регуляторного фермента выступал промежуточный или конечный метаболит того же самого метаболического пути. Существует множество примеров сопряженной аллостерической модуляции, когда в качестве аллостерического модулятора выступает соединение, образующееся в другом метаболическом пути. Так, накопление в клетке АТФ, основное количество которой образуется в ходе окислительного фосфорилирования в цепи дыхательных ферментов, угнетает по аллостерическому механизму активность фосфоруктокиназы фермента гликолиза, угнетает активность глутаматдегидрогеназы фермента из системы трансдезаминирования, угнетает активность изоцитратдегидрогеназы фермента цикла Кребса. Следует лишь отметить, что между такими метаболическими путями можно проследить тот или иной уровень функциональной взаимосвязи. В приведенном ранее примере все три метаболических процесса связаны между собой тем, что их функционирование имеет прямое отношение к наработке в клетке АТФ, т.е. к обеспечению клетки доступной энергией.
2. Ковалентная модификация
Ковалентная модификация это механизм регуляции активности ферментов за счет присоединения с помощью ковалентной связи в регуляторном центре фермента атомной группировки или отщепления этой группировки. Присоединение к ферменту ковалентной связью дополнительной группировки приводит к изменению конформации белка-фермента, что сопровождается изменением структуры активного центра и изменением эффективности катализа. Отщепление этой группировки обеспечивает восстановление исходной конформации фермента, а следовательно, и возвращение к исходному уровню его каталитической активности. В качестве таких модифицирующих группировок могут выступать остатки адениловой кислоты, гликозильные остатки, но чаще всего встречается фосфорилирование присоединение остатков фосфорной кислоты. Поскольку в ходе ковалентной модификации происходит образование или расщепление ковалентной связи между ферментом и группировкой модулятором, для эффективной работы этого механизма требуется два дополнительных фермента: один фермент обеспечивает присоединение группировки-модулятора к регуляторному ферменту, второй фермент обеспечивает удаление этой группировки. По-видимому, эти дополнительные ферменты обеспечивают присоединение группировки-модулятора к строго определенному аминокислотному остатку полипептидной цепи регуляторного фермента, так же как и избирательное ее отщепление. Примерами работы таких регуляторных механизмов могут служить: активация гликогенфосфорилазы путем ее фосфорилирования, активация глутаматдегидрогеназы путем ее аденилирования, снижение активности пируватдегидрогеназного комплекса в результате его фосфорилирования, снижение активности гликогенсинтетазы путем ее фосфорилирования. Полный цикл регуляции активности фермента путем его ковалентной модификации может быть проиллюстрирован на примере гликогенфосфорилазы гепатоцитов
3. Белок-белковое взаимодействие
По современным представлениям ферменты отдельных метаболических путей объединены в клетках в большинстве своем в мультиэнзимные комплексы метаболоны. В составе таких метаболонов каждый фермент находится в контакте с одним или несколькими ферментами этого метаболического пути. Поэтому конформация, а следовательно и каталитическая активность каждого отдельного фермента будет зависеть от состояния других контактирующих с ним ферментов. Отсюда, изменение каталитической активности регуляторного фермента, входящего в состав метаболона, вызванное, например, присоединением к нему аллостерического модулятора, будет сопровождаться изменением активности и других ферментов метаболона, поскольку их конформация в составе надмолекулярного белкового комплекса будет также претерпевать определенные изменения. В клетках и во внеклеточной жидкости присутствуют белки, которые могут взаимодействовать с белками-ферментами, регулируя их активность. Эти белки получили название белков-модуляторов.
Так, в состав липопротеидов плазмы крови входят апобелки апо-С-II и апо-С-I, которые взаимодействуя с ферментами липопротеидлипазой и лецитинхолестеролацилтрансферазой соответственно, увеличивают их активность. В плазме крови присутствует также белок-модулятор антитромбин-III, который взаимодействуя с ферментом системы свертывания крови тромбином, инактивирует последний.
Примером внутриклеточного белка-модулятора может служить кальмодулин. Он присутствует в свободном неактивном состоянии в цитозоле клеток различных органов и тканей. При увеличении концентрации в цитозоле ионов Са2+ образуется Са-кальмодулиновый комплекс, конформация кальмодулина изменяется и Са-кальмодулиновый комплекс приобретает способность взаимодействовать с различными внутриклеточными ферментами. При этом взаимодействии конформация белка-фермента изменяется и, следовательно, изменяется его каталитическая активность. При снижении концентрации Са2+ в цитозоле Са-кальмодулиновый комплекс распадается, свободный кальмодулин из-за изменения конформации молекулы теряет сродство к ферменту. В результате фермент высвобождается из комплекса и его каталитическая активность возвращается к исходному уровню. Этим способом регулируется каталитическая активность таких ферментов как гуанилатциклаза, фосфодиэстераза циклических нуклеотидов, пируваткарбоксилаза, НАД-киназа и др. (см.схему на след. стра-це).
4. Роль конкурентного и неконкурентного ингибирования в регуляции активности ферментов в клетке
Эти варианты механизмов регуляции активности ферментов в клетках используются крайне редко. Примером конкурентного ингибирования, используемого в клетке для регуляции собственного метаболизма, принято считать угнетение активности сукцинатдегидрогеназы фермента цикла трикарбоновых кислот высокими концентрации щавелевоуксусной кислоты или малата, являющимися промежуточными продуктами того же самого метаболического пути. Снижение их концентрации в матриксе митохондрий, где работает этот метаболический путь, снимает ингибирование, т.е. регуляторный эффект обратим.
Необходимо иметь в виду, что лекарственные препараты часто являются конкурентными или неконкурентными ингибиторами различных ферментов. Так, лекарственный препарат алллопуринол, используемый при лечении подагры, является типичным конкурентным ингибитором фермента ксантиноксидазы, работающей в клетке на завершающем этапе метаболического пути синтеза мочевой кислоты. Снижение активности этого фермента приводит к падению концентрации мочевой кислоты в крови и тканях и предотвращает характерное для подагры повторное выпадение кристаллов мочевой кислоты в тканях.
Лекарственный препарат строфантин G, используемый при лечении острой сердечной недостаточности, является неконкурентным ингибитором К,Na-АТФ-азы наружных клеточных мембран миокардиоцитов. Существует мнение, что лечебный эффект этого лекарственного препарата обусловлен нормализацией ионного состава внутренней среды миокардиоцитов в результате коррекции активности этого мембранного фермента.
Среди множества ферментов, имеющихся в клетке, далеко не все являются регуляторными. Тем не менее, практически в каждый метаболический путь включены один или несколько (2, иногда даже 3) ферментов, контролирующих интенсивность потока метаболитов по тому или иному метаболическому пути. Эти ферменты обычно катализируют необратимые по термодинамическим причинам реакции; они часто являются ферментами, имеющими наиболее низкую каталитическую активность среди всех ферментов данного метаболического пути, и поэтому контролируют интенсивность потока вещества по данному метаболическому пути в целом; они обычно катализируют одну из первых реакций данного метаболического пути, что предотвращает накопление промежуточных продуктов метаболического пути в клетке при снижении активности фермента. Такого рода ферменты, контролирующие поток метаболитов по метаболическому пути и способные отвечать изменениями активности на регуляторные воздействия, получили название "ключевых ферментов"; иногда их также называют "ферментами водителями ритма". Примерами таких ферментов могут служить аспартаткарбамоилтрансфераза (метаболический путь синтеза пиримидиновых нуклеотидов), фосфофруктокиназа (гликолиз) или изоцитратдегидрогеназа (цикл трикарбоных кислот Кребса).
5. Перенос веществ через клеточные мембраны
Клетка для регуляции своего метаболизма может использовать изменение проницаемости мембран, в том числе как проницаемость как наружной мембраны, так и мембран, разделяющих ее отдельные компартменты. Тем самым может регулироваться как концентрация субстратов для того или иного метаболического пути (например, концентрация ацетил-КоА в цитозоле для синтеза высших жирных кислот, поступающего из матрикса митохондрий), так и концентрация кофакторов, поступающих из одного компартмента клетки в другой (например, АДФ, поступающего из цитозоля в матрикс митохондрий).
Перенос веществ через клеточные мембраны может осуществляться за счет процессов трех основных типов:
а) простой диффузии,
б) облегченной диффузии,
в) активного транспорта.
Интенсивность простой диффузии, т.е. переноса веществ через мембрану по градиенту концентрации через липидный бислой или через каналы в липидном бислое, регулируется, во-первых, за счет изменения конформационного состояния мембраны или ее микровязкости, во-вторых, за счет изменения концентрации переносимого метаболита по разные стороны мембраны. Состояние мембраны может изменяться за счет изменения ее состава, например, за счет изменения содержания холестерола в мембранах, а изменение градиента концентрации метаболита относительно мембраны может изменяться путем его наработки или использования в одном из компартментов клетки.
Регуляция облеченной диффузии, т.е. переноса веществ через мембрану по градиенту концентрацию с участием переносчика, осуществляется как за счет действия ранее указанных факторов, так и за счет двух новых механизмов: изменения содержания переносчика в мембране или же за счет изменения функционального состояния состояния имеющихся переносчиков. Так, при воздействии инсулина на клетки, имеющие рецепторы к этому гормону, в их наружных мембранах увеличивается количество белков-переносчиков глюкозы. Изменение интенсивности активного транспорта, т.е. переноса веществ через мембраны с участием переносчика против градиента концентрации, идущего с затратами энергии, происходит, во-первых, за счет работы механизмов, регулирующих процессы облегченной диффузии, а, во-вторых, за счет изменения количества доступной энергии. В свою очередь, поступление энергии осуществляется или за счет обеспечения механизмов транспорта энергией АТФ, или же за счет создаваемых клеткой трансмембранных электрохимических градиентов, например, градиентов Н+ или градиентов ионов Na+.
Таким образом, в ходе эволюции природой были созданы разнообразные механизмы, позволяющие клеткам регулировать как интенсивность обменных процессов в целом, так и механизмы избирательной регуляции работы того или иного метаболического пути. Все регуляторные механизмы, работающие в организме можно разделить на два уровня: 1. Механизмы, обеспечивающие регуляцию на уровне отдельных клеток или внутриклеточные регуляторные механизмы.
2. Механизмы, обеспечивающие регуляцию обменных процессов на уровне целого организма надклеточные регуляторные механизмы.
Каждый из этих уровней может быть разделен на подуровни. Так, в рамках внутриклеточного уровня регуляции могут быть выделены подуровни:
подуровень отдельных химических реакций,
подуровень метаболических путей,
подуровень клеточных органелл,
подуровень сети метаболических путей. А надклеточный уровень регуляции может быть разделен на подуровни:
подуровень той или иной ткани
подуровень того или иного органа
подуровень системы органов
подуровень целого организма.
Раздел 3 1.
В основу второго варианта классификации заложена химическая природа гормонов. По химической природе гормоны делятся на 4 класса:
1. Гормоны белковой природы, причем в этом классе можно выделить два подкласса:
а) гормоны простые белки (инсулин, соматотропин);
б) гормоны сложные белки (тиреотропный гормон, гонадотропные гормоны), по химической природе они представляют собой гликопротеиды)
2. Гормоны полипептиды (либерины и статины гипоталамуса, вазопрессин и окситоцин, глюкагон, кортикотропин).
3. Гормоны производные аминокислот (мелатонин, адреналин, иодированые тиронины).
4. Гормоны стероидной природы (кортизол, альдостерон, прогестерон, эстрадиол, тестостерон).
2. Клетки-мишени и рецепторы гормонов
Клетки, способные тем или иным образом отвечать на воздействие какого-либо гормона, получили название клеток-мишеней для данного гормона. В свою очередь, органы или ткани, в которых воздействие гормона вызывает специфическую биохимическую или физиологическую реакцию, получили название органымишени или ткани-мишени для данного гормона. Следует лишь иметь в виду, что та или иная ткань обычно содержит несколько типов дифференцированных клеток и далеко не все они реагируют на воздействие конкретного гормона.
Для того, чтобы клетка реагировала на появление в окружающий ее среде гормона или другой сигнальной молекулы, она должна иметь в своем составе специализированные структуры, способные распознавать эти сигнальные молекулы. Такими специализированными структурами являются клеточные рецепторы. По химической природе клеточные рецепторы представляют собой сложные белки гликопротеиды, имеющие в своей структуре специализированные функциональные центры, способные к избирательному взаимодействию с той или иной сигнальной молекулой.
Все рецепторы являются полидоменными белками. На одном из доменов располагается центр связывания сигнальной молекулы это так называемый домен узнавания. Кроме домена узнавания в составе рецепторов всегда имеется домен, отвечающий за запуск внутриклеточных механизмов, обеспечивающих ответ клетки на внешний регуляторный сигнал это так называемый домен сопряжения. Взаимодействие центра связывания рецептора с своей сигнальной молекулой, например с гормоном, изменяет конформацию домена узнавания, волна конформационных изменений захватывает и домен сопряжения, что приводит к "активации" рецептора и включению внутриклеточных механизмов реализации внешнего регуляторного сигнала.
3. Рилизинг-гормоны (либерины)
1. Тиролиберин (ТРГ) стимулирует выделение тиреотропного гормона (ТТГ) гипофиза.
2. Кортиколиберин (КРГ) стимулирует выделение адренокортикотропного гормона (АКТГ) гипофиза.
3. Гонадолиберин (ГнРГ) стимулирует выделение лютеинизирующего (ЛГ) и фолликулстимулирующего (ФСГ) гормонов гипофиза.
4. Соматолиберин (СТГ-РГ) стимулирует выделение соматотропного гормона (СТГ) гипофиза.
Предполагается также существование в гипоталамусе пролактолиберина (ПРЛ-РГ) и либерина меланоцитстимулирующего гормона (МСГ-РГ), однако до настоящего времени получить их в высокоочищенном виде не удалось. б). Статины 1. Соматостатин (СС), ингибирующий выделение СТГ из гипофиза; кроме того, он ингибирует выделение ТТГ.
2. Гонадолиберин-ассоциированный пептид (ГАП), ингибирующий выделение пролактина (ПРЛ) из гипофиза; кроме того, выделение ПРЛ сильно ингибируется дофамином. Иногда ГАП и дофамин объединяют под названием пролактин-ингибирующие гормоны (ПИГ). Предполагается также существование меланостатина (МСГ-С), однако его существование не было подтверждено.
Третью группу гормонов гипоталамуса составляю два гормона окситоцин и вазопрессин, которые, синтезируясь в гипоталамусе, поступают в заднюю долю гипофиза, где временно накапливаются, а затем поступают в кровяное русло. Гормоны гипофиза также можно разделить на три группы. Первую группу составляют гормоны передней доли гипофиза, стимулирующие деятельность периферических желез внутренней секреции. К ним относятся:
1. ТТГ, стимулирующий синтез тетраиодтиронина (Т4) и трииодтиронина (Т3) в щитовидной железе.
2. АКТГ, стимулирующий синтез глюкокортикоидов корой надпочечников.
3. ЛГ и ФСГ, стимулирующих синтез половых гормонов в семенниках и яичниках.
4. В работе регуляторных механизмов, использующих в качестве вторых вестников цАМФ, цГМФ или продукты гидролиза инозитолфосфатидов, имеется один общий момент в системы включены механизмы усиления сигнала. Гормон или иная сигнальная молекула, соединяясь с рецептором, активирует фермент, генерирующий образование в клетке множества молекул, выполняющих роль второго вестника. В свою очередь второй вестник также активирует фермент, способный быстро изменять функциональную активность большого числа различных белковых молекул, непосредственно отвечающих за формирование метаболического ответа клеток. Механизм действия гормонов в значительной мере зависит от физико-химических свойств молекул гормонов. Гормоны белковой природы, гормоны-пептиды, гормоны-производные аминокислот за исключением иодированных тиронинов, как и родственные по химической природе другие сигнальные молекулы, обладая гидрофильными свойствами, не способны проникать через наружные мембраны клеток. Рецепторы этих биорегуляторов локализованы на внешней стороне наружной клеточной мембраны, поэтому требуется специальный механизм, обеспечивающий трансформацию внеклеточного регуляторного сигнала в сигнал внутриклеточный. Как правило, это связано с синтезом в клетке соединений, выступающих в качестве внутриклеточных мессенджеров или "вторых вестников", обеспечивающих формирование метаболического ответа клеток на внешний регуляторный сигнал.
5. Гормоны стероидной природы и иодированные тиронины, имеющие гидрофобные свойства, могут проникать через наружную мембрану внутрь клеток и, связываясь со своими рецепторами в цитозоле или ядре, сами участвуют в формировании метаболического ответа клеток на внешний регуляторный сигнал, в связи с чем эти биорегуляторы не нуждаются в посредниках типа "вторых вестников".Регуляторный эффект гормонов первой группы базируется в первую очередь на изменении функциональной активности уже имеющихся в клетке белков, тогда как в основе регуляторных эффектов гормонов-стероидов и иодированных тиронинов в первую очередь лежит изменение эффективности экспрессии генов и на этой основе изменение количества белков в клетке. Безусловно, при воздействии гормонов-белков, гормонов-пептидов и гормонов-производных аминокислот также может происходить изменение эффективности экспрессии генов, но это результат воздействия на геном клеток модифицированных белков-регуляторов, структура которых обычно изменяется при опосредованном участии внутриклеточных мессенджеров. Эти соединения известны под название внутриклеточных мессенджеров или вторых вестников, наиболее известными представителями которых являются цАМФ, цГМФ, ионы Са+, продукты расщепления инозитолфосфатидов инозитолтрифосфат и диацилглицерол.
Раздел 4. 1. ИНСУЛИН
Инсулин относится к гормонам белковой природы. Он синтезируется b-клетками поджелудочной железы. Инсулин является одним из важнейших анаболических гормонов. Связывание инсулина с клеткамимишенями приводит к процессам, которые увеличивают скорость синтеза белка, а также накопление в клетках гликогена и липидов, являющихся резервом пластического и энергетического материала. Инсулин, возможно за счет своего анаболического эффекта, стимулирует рост и размножение клеток.
Молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей А-цепи и В-цепи. В состав А-цепи входит 21 аминокислотный остаток, в состав В-цепи 30. Эти цепи связаны между собой двумя дисульфидными мостиками: один между А7 и В7 (номера аминокислот, считая с N-концов полипептидных цепей), второй между А20 и В19. Третий дисульфидный мостик находится в цепи А, связывая А6 и А11.
Главным физиологическим стимулом выделения инсулина из b-клеток в кровь является повышение содержания глюкозы в крови.
Влияние инсулина на обмен углеводов можно охарактеризовать следующими эффектами:
1.Инсулин увеличивает проницаемость клеточных мембран для глюкозы в так называемых инсулин-зависимых тканях.
2.Инсулин активирует окислительный распад глюкозы в клетках.
3.Инсулин ингибирует распад гликогена и активирует его синтез в гепатоцитах.
4.Инсулин стимулирует превращение глюкозы в резервные триглицериды.
5.Инсулин ингибирует глюконеогенез, снижая активность некоторых ферментов глюконеогенеза.
Влияние инсулина на обмен липидов складывается из ингибирования липолиза в липоцитах за счет дефосфорилирования триацилглицероллипазы и стимуляции липогенеза.
Инсулин оказывает анаболическое действие на обмен белков: он стимулирует поступление аминокислот в клетки, стимулирует транскрипцию многих генов и стимулирует, соответственно, синтез многих белков, как внутриклеточных, так и внеклеточных.
2.ТИРОНИНЫ
Щитовидная железа вырабатывает два гормона 3,5,3-трииодтиронин (Т3) и 3,5,3,5-тетраиодтиронин (тироксин, Т4), играющие важную роль в регуляции общего метаболизма, развития и дифференцировки тканей. Образование этих гормонов происходит в ходе посттранскрипционного процессинга специфического белка тиреоглобулина, в ходе которого происходит органификация накапливающегося в клетках щитовидной железы иода. Последующий внутриклеточный протеолиз иодированного тиреоглобулина приводит к высвобождению гормонов.
Синтез иодированных тиронинов идет в клетках щитовидной железы тироцитах в составе белка иодтиреоглобулина.
Синтез тиреоглобулина происходит на рибосомах тироцита в базальной части клетки, далее в цистернах шероховатого эндоплазматического ретикулума, а затем в аппарате Гольджи происходит гликозилирование полипептидных цепей молекулы с присоединением порядка двух десятков олигосахаридных блоков.
Инактивация тиреоидных гормонов осуществляется различными путями: они могут подвергаться деиодированию, дезаминированию, декарбоксилированию. Во всех этих случаях гормоны теряют свою биологическую активность. В печени продукты деградации тиреоидных гормонов могут подвергаться коньюгации с последующим их выделением с желчью.
Рецепторы для тиреоидных гормонов имеются в клетках различных органов и тканей. Низкоаффинные рецепторы расположены в цитозоле клеток, тогда как высокоаффинные в ядрах тех же клеток. Введение тироксина экспериментальным животным сопровождается развитием положительного азотистого баланса, увеличивает теплопродукцию и приводит к увеличению активности многих ферментных систем. К настоящему времени показано, что введение гормона приводит к повышению активности более 100 ферментов. Это увеличение активности большого числа ферментов скорее всего отражает резко выраженное стимулирующее действие гормона на синтез белка во многих органах и тканях.
Введение тиреоидных гормонов действительно приводит к увеличению теплопродукции, но это увеличение теплобразования обусловлено не разобщением окисления и фосфорилирования в митохондриях, а увеличением расходования АТФ в клетках в энергозависимых процессах.
3.АДРЕНАЛИН
Хромафинные клетки мозгового вещества надпочечников продуцируют группу биологически активных веществ катехоламинов, к числу которых относятся адреналин, норадреналин и дофамин, играющие важную роль в адаптации организма к острым и хроническим стрессам, в особенности в формировании реакции организма типа "борьба или бегство". В ходе развития этой реакции в организме происходит экстренная мобилизация энергетических ресурсов: ускоряется липолиз в жировой ткани, активируется гликогенез в печени, стимулируется гликогенолиз в мышцах.
Все катехоламины синтезируются из аминокислоты тирозина, причем на долю адреналина приходится примерно 80% катехоламинов, образующихся в мозговом веществе надпочечников. Синтез начинается с превращения тирозина в дигидроксифенилаланин (ДОФА), реакция катализируется ферментом тирозин-гидроксилазой. Простетической группой фермента является тетрагидробиоптерин. В ходе следующей реакции ДОФА подвергается декарбоксилированию при участии фермента ДОФА-декарбоксилазы, простетической группой этого фермента служит пиридоксальфосфат.
Образуется ДОФамин. В ходе окисления в качестве донора электронов (косубстрат реакции) используется аскорбиновая кислота. В заключительной реакции идет метилирование норадреналина по аминогруппе с превращением его в адреналин, в качестве донора метильной группы используется S-аденозилметионин.
Под воздействием нервных импульсов, поступающих в мозговое вещество надпочечников по чревному нерву, происходит слияние хромаффинных гранул с плазматической мембраной с выбросом катехоламинов в русло крови. Поступающий в кровяное русло адреналин в виде слабоассоциированного с альбуминами комплекса разносится с током крови в другие органы и ткани.
Продолжительность существования адреналина в русле крови измеряется временем порядка 10 30 секунд; его концентрация в плазме крови в норме не превышает 0,1 мкг/л (менее 0,55 нМ/л). Инактивация адреналина, как и других катехоламинов, может идти или путем их окислительного дезаминирования, или путем О-метилирования. Основными конечными продуктами инактивации адреналина, выделяющимися с мочой, являются метанефрин и ванилинминдальная кислота.
При связывании гормона с b1и b2-рецепторами идет активация аденилатциклазы, опосредованная взаимодействие активированных рецепторов с Gs-белками, что сопровождается увеличением концентрации цАМФ в клетке. При взаимодействии гормона с a2-рецептором при участии Gi-белка идет ингибирование аденилатциклазы и снижение концентрации цАМФ в клетке.
В случае действия адреналина через b2-рецепторы идет стимуляция расщепления гликогена в печени с выходом глюкозы в кровяное русло, одновременно идет небольшая стимуляция глюконеогенеза в гепатоцитах. В мышцах через b2-рецепторы адреналин стимулирует гликогенолиз. Через этот тип рецепторов адреналин повышает секрецию инсулина и глюкагона в поджелудочной железе или секрецию ренина в почках.
4. ГЛЮКАГОН
Глюкагон представляет собой гормон полипептидной природы, выделяемый a-клетками поджелудочной железы. Основной функцией этого гормона является поддержание энергетического гомеостаза организма за счет мобилизации эндогенных энергетических рессурсов, этим объясняется его суммарный катаболический эффект.
В состав полипептидной цепи глюкагона входит 29 аминокислотных остатков, его молекулярная масса 4200, в его составе отсутствует цистеин. Глюкагон был синтезирован химическим путем, чем была окончательно подтверждена его химическая структура.
Основным местом синтеза глюкагона являются a-клетки поджелудочной железы, однако довольно большие количества этого гормона образуются и в других органах желудочно-кишечного тракта. Синтезируется глюкагон на рибосомах a-клеток в виде более длинного предшественника с молекулярной массой около 9000. В ходе процессинга происходит существенное укорочение полипептидной цепи,после чего глюкагон секретируется в кровь. В крови он находится в свободной форме, его концентрация в сыворотке крови составляет 20-100 нг/л. Период его полужизни равняется примерно 5 минутам. Основная часть глюкагона инактивируется в печени путем гидролитического отщепления 2 аминокислотных остатков с N-конца молекулы.
Секреция глюкагона a-клетками поджелудочной железы тормозится высоким уровнем глюкозы в крови, а также соматостатином, выделяемым D-клетками поджелудочной железы. Возможно, что секреция глюкагона ингибируется также инсулином или ИФР-1. Стимулируется секреция понижением концентрации глюкозы в крови, однако механизм этого эффекта неясен. Кроме того, секрецию глюкагона стимулируют соматотропный гормон гипофиза, аргинин и Са2+.
Механизм действия глюкагона достаточно хорошо изучен. Рецепторы для гормона локализованы в наружной клеточной мембране. Образование гормонрецепторных комплексов сопровождается активацией аденилатциклазы и увеличением в клетках концентрации цАМФ, сопровождающимся активацией протеинкиназы и фосфорилированием белков с изменением функциональной активности последних.
Под действием глюкагона в гепатоцитах ускоряется мобилизация гликогена с выходом глюкозы в кровь. Этот эффект гормона обусловлен активацией гликогенфосфорилазы и ингибированием гликогенсинтетазы в результате их фосфорилирования. Следует заметить, что глюкагон, в отличие от адреналина, не оказывает влияния на скорость гликогенолиза в мышцах.
Глюкагон активирует процесс глюконеогенеза в гепатоцитах: во-первых, он ускоряет расщепление белков в печени, а образующиеся аминокислоты используются как субстраты глюконеогенеза; во-вторых, увеличивается активность ряда ферментов, таких как фруктозо-1,6-бисфосфатаза, фосфоенолпируваткарбоксикиназа, глюкозо-6-фосфатаза, принимающих участие в глюконеогенезе как за счет активации имеющихся ферментов, так и индукции их синтеза. За счет активации глюконеогенеза также происходит увеличение поступления глюкозы в кровь. Ускорение использования аминокислот для глюконеогенеза сопровождается увеличением объема синтеза мочевины и увеличением количества мочевины, выводимого с мочой.
Глюкагон стимулирует липолиз в липоцитах, увеличивая тем самым поступление в кровь глицерола и высших жирных кислот. В печени гормон тормозит синтез жирных кислот и холестерола из ацетил-КоА, а накапливающийся ацетил-КоА используется для синтеза ацетоновых тел. Таким образом, глюкагон стимулирует кетогенез.
В почках глюкагон увеличивает клубочковую фильтрацию, по-видимому, этим объясняется наблюдаемое после введения глюкагона повышение экскреции ионов натрия, хлора, калия, фосфора и мочевой кислоты.
5. КОРТИЗОЛ
Основным глюкокортикоидом человека являет-ся кортизол: за сутки в надпочечниках синтезируется 10-30 мг кортизола и 2-4 мг другого глюкокортикоида кортикостерона. Гормоны коры надпочечников, в особенности глюкокортикоиды, играют важную роль в адаптации к сильным стрессам.
В основе структуры всех стероидных гормонов лежит лежит циклопентанпергидрофенантреновое ядро, имеющее в своем составе 17 атомов углерода и включающее в себя четыре цикла или кольца, обозначаемых буквами А,В,С и D.
Синтез кортизола идет в клетках пучковой и сетчатой зон коры надпочечников. Исходным соединением для синтеза кортизола является холестерол, он поступает в клетки коры надпочечников из крови, лишь незначительная его часть образуется в клетках путем синтеза из ацетил-КоА.
На секрецию кортизола большое влияние оказывают физические и эмоциональный стрессы, состояние тревоги, страха и др., но все эти эффекты опосредуются нервной системой через гипоталамическое звено регуляции.
Введение кортизола приводит к увеличению содержания высших жирных кислот в плазме крови. Частично это может быть результатом стимуляции липолиза в клетках жировой ткани. Интересно, что избыточные количества кортизола стимулируют липолиз в жировой ткани конечностей, однако одновременно стимулируется липогенез в жировой ткани туловища и лица. В повышение уровня высших жирных кислот вносит определенный вклад торможение поступления глюкозы в клетки периферических тканей: во-первых, недостаток глюкозы в клетках периферических тканей приводит к усилению мобилизации резервных триглицеридов, во-вторых, недостаток глюкозы в липоцитах приводит к недостатку в них фосфодигидроксиацетона, необходимого для синтеза триглицеридов неиспользованные высшие жирные кислоты также поступают из липоцитов в кровь.
Принципы регуляции метаболических путей
Все химические реакции в клетке протекают при участии ферментов. Поэтому, чтобы воздействовать на скорость протекания метаболического пути, достаточно регулировать количество или активность ферментов. Обычно в метаболических путях есть ключевые ферменты, благодаря которым происходит регуляция скорости всего пути. Эти ферменты (один или несколько в метаболическом пути) называются регуляторными ферментами; они катализируют, как правило, начальные реакции метаболического пути, необратимые реакции, скорость-лимитирующие реакции (самые медленные) или реакции в месте переключения метаболического пути (точки ветвления).
Регуляция скорости ферментативных реакций осуществляется на 3 независимых уровнях:
- · изменением количества молекул фермента;
- · доступностью молекул субстрата и кофермента;
- · изменением каталитической активности молекулы ферманта.
Регуляция каталитической активности ферментов
Важнейшее значение в изменении скорости метаболических путей играет регуляция каталитической активности одного или нескольких ключевых ферментов данного метаболического пути. Это высокоэффективный и быстрый способ регуляции метаболизма.
Основные способы регуляции активности ферментов:
- · аллостерическая регуляция;
- · регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий;
- · регуляция путём фосфорилирования/дефосфорилирования молекулы фермента;
- · регуляция частичным (ограниченным) протеолизом.
Аллостерическая регуляция
Аллостерическими ферментами называют ферменты, активность которых регулируется не только количеством молекул субстрата, но и другими веществами, называемыми эффекторами. Участвующие в аллостерической регуляции эффекторы - клеточные метаболиты часто именно того пути, регуляцию которого они осуществляют.
Аллостерические ферменты играют важную роль в метаболизме, так как они чрезвычайно быстро реагируют на малейшие изменения внутреннего состояния клетки. Аллостерическая регуляция имеет большое значение в следующих ситуациях:
- · при анаболических процессах. Ингибирование конечным продуктом метаболического пути и активация начальными метаболитами позволяют осуществлять регуляцию синтеза этих соединений;
- · при катаболических процессах. В случае накопления АТФ в клетке происходит ингибирование метаболических путей, обеспечивающих синтез энергии. Субстраты при этом расходуются на реакции запасания резервных питательных веществ;
- · для координации анаболических и катаболических путей. АТФ и АДФ - аллостерические эффекторы, действующие как антагонисты;
- · для координации параллельно протекающих и взаимосвязанных метаболических путей (например, синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, используемых для синтеза нуклеиновых кислот). Таким образом, конечные продукты одного метаболического пути могут быть аллостерическими эффекторами другого метаболического пути.
Аллостерические эффекторы. Эффектор, вызывающий снижение (ингибирование) активности фермента, называют отрицательным эффектором, или ингибитором. Эффектор, вызывающий повышение (активацию) активности ферментов, называют положительным эффектором, или активатором.
Аллостерическими эффекторами часто служат различные метаболиты. Конечные продукты метаболического пути - часто ингибиторы аллостерических ферментов, а исходные вещества - активаторы. Это так называемая гетеротропная регуляция. Такой вид аллостерической регуляции очень распространён в биологических системах.
Более редкий случай аллостерической регуляции, когда сам субстрат может выступать в качестве положительного эффектора. Такая регуляция называется гомотропной (эффектор и субстрат - одно и то же вещество). Эти ферменты имеют несколько центров связывания для субстрата, которые могут выполнять двойную функцию: каталитическую и регуляторную. Аллостерические ферменты такого типа используются в ситуации, когда субстрат накапливается в избытке и должен быстро преобразоваться в продукт.
Выявить ферменты с аллостерической регуляцией можно, изучая кинетику этих ферментов.
Особенности строения и функционирования аллостерических ферментов:
обычно это олигомерные белки, состоящие из нескольких протомеров или имеющие доменное строение;
они имеют аллостерический центр, пространственно удалённый от каталитического активного центра;
эффекторы присоединяются к ферменту нековалентно в аллостерических (регуляторных) центрах;
аллостерические центры, так же, как и каталитические, могут проявлять различную специфичность по отношению к лигандам: она может быть абсолютной и групповой. Некоторые ферменты имеют несколько аллостерических центров, одни из которых специфичны к активаторам, другие - к ингибиторам.
протомер, на котором находится аллостерический центр, - регуляторный протомер, в отличие от каталитического протомера, содержащего активный центр, в котором проходит химическая реакция;
аллостерические ферменты обладают свойством кооперативности: взаимодействие аллостерического эффектора с аллостерическим центром вызывает последовательное кооперативное изменение конформации всех субъединиц, приводящее к изменению конформации активного центра и изменению сродства фермента к субстрату, что снижает или увеличивает каталитическую активность фермента;
регуляция аллостерических ферментов обратима: отсоединение эффектора от регуляторной субъединицы восстанавливает исходную каталитическую активность фермента;
аллостерические ферменты катализируют ключевые реакции данного метаболического пути.
Рисунок 3. Схема, поясняющая работу аллостерического фермента. А - действие отрицательного эффектора (ингибитора); Б - действие положительного эффектора (активатора).
Локализация аллостерических ферментов в метаболическом пути.
Скорость метаболических процессов зависит от концентрации веществ, использующихся и образующихся в данной цепи реакций. Такая регуляция представляется логичной, так как при накоплении конечного продукта он (конечный продукт) может действовать как аллостерический ингибитор фермента, катализирующего чаще всего начальный этап данного метаболического пути:
Фермент, катализирующий превращение субстрата А в продукт В, имеет аллостерический центр для отрицательного эффектора, которым служит конечный продукт метаболического пути F. Если концентрация F увеличивается (т.е. вещество F синтезируется быстрее, чем расходуется), ингибируется активность одного из начальных ферментов. Такую регуляцию называют отрицательной обратной связью, или ретроингибированием. Отрицательная обратная связь - часто встречающийся механизм регуляции метаболизма в клетке.
В центральных метаболических путях исходные вещества могут быть активаторами ключевых ферментов метаболического пути. Как правило, при этом аллостерической активации подвергаются ферменты, катализирующие ключевые реакции заключительных этапов метаболического пути:
В качестве примера можно рассмотреть принципы регуляции гликолиза - специфического (начального) пути распада глюкозы (рис. 4). Один из конечных продуктов распада глюкозы - молекула АТФ. При избытке в клетке АТФ происходит ретроингибирование аллостерических ферментов фосфофруктокиназы и пируваткиназы. При образовании большого количества фруктозо-1,6-бисфосфата наблюдают аллостерическую активацию фермента пируваткиназы.
Рисунок 4. Схема положительной и отрицательной регуляции катаболизма глюкозы.
Молекула АТФ участвует в ретроингибировании аллостерических ферментов фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Фруктозе-1,6-бисфосфат - активатор метаболического пути распада глюкозы. Плюсами отмечена активация, минусами - ингибирование ферментов.
Благодаря такой регуляции осуществляется слаженность протекания метаболического пути распада глюкозы.
В клетке постоянно происходит большое количество разнообразных химических реакций, которые формируют метаболические пути - последовательное превращение одних соединений в другие. Метаболизм - совокупность всех метаболических путей, протекающих в клетках организма.
Среди всех метаболических путей, протекающих в организме, выделяют противоположно направленные процессы: катаболизм и анаболизм. Катаболизм - распад сложных веществ до простых с высвобождением энергии.
Анаболизм - синтез из простых более сложных веществ. Метаболические пути согласованы между собой по месту, времени и интенсивности протекания. Эта согласованность протекания всех процессов обеспечивается сложными и многообразными механизмами регуляции.
Организация химических реакций в метаболические пути
Оптимальная активность ферментов, катализирующих реакции одного метаболического пути, достигается благодаря определённой пространственной организации в клетке.
- Пространственная локализация ферментов
Большинство ферментов имеет внутриклеточную локализацию и распределены в организме неравномерно. Все ферменты одного метаболического пути, как правило, находятся в одном отделе клетки. Особенно разделение метаболических путей важно для противоположно направленных катаболических и анаболических процессов. Например, синтез жирных кислот происходит в цитоплазме, а их распад в митохондриях. Если бы такого разделения не существовало, образовывались бы бесполезные с функциональной и энергетической точки зрения пути.
В метаболических путях продукт первой ферментативной реакции служит субстратом второй и так далее до формирования конечного продукта. Промежуточные продукты метаболического пути могут высвобождаться из последовательности реакций и использоваться в других метаболических путях, т.е. метаболические пути связаны между собой промежуточными продуктами.
В ряде случаев пространственная организация ферментов настолько сильно выражена, что продукт реакции ни при каких условиях не может быть вычленен из метаболического пути и обязательно служит субстратом следующей реакции. Такая организация метаболического пути носит название мультиферментного комплекса и возникает в результате структурно-функциональной организации ферментов. Обычно такие комплексы связаны с мембранами. В качестве примеров мультиферментных комплексов можно привести пируватдегидрогеназный комплекс, под действием которого происходит окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты (пирувата) (см. раздел 6), синтазу жирных кислот, катализирующую синтез пальмитиновой кислоты (см. раздел 8).
- Структура метаболических путей
Структура метаболических путей в клетке крайне разнообразна.
В случае, когда субстрат в результате ряда ферментативных процессов превращается в один продукт, такой путь носит название линейного метаболического пути . Часто встречаются разветвлённые метаболические пути, приводящие к синтезу различных конечных продуктов в зависимости от потребности клетки.
Ферментный состав различных клеток неодинаков. Ферменты, выполняющие функцию жизнеобеспечения клетки, находятся во всех клетках организма. В процессе дифференцировки клеток происходит изменение ферментного состава клеток. Так, фермент аргиназа, участвующий в синтезе мочевины, находится только в клетках печени, а кислая фосфатаза, участвующая в гидролизе моноэфиров ортофосфорной кислоты, - в клетках простаты. Это так называемые органоспецифичные ферменты .
Клетка - сложнофункциональная система, регулирующая своё жизнеобеспечение. Многообразие функций клетки обеспечивается пространственной и временной (в первую очередь, в зависимости от ритма питания) регуляцией определённых метаболических путей. Пространственная регуляция связана со строгой локализацией определённых ферментов в различных органеллах. Так, в ядре находятся ферменты, связанные с синтезом молекул ДНК и РНК, в цитоплазме - ферменты гликолиза, в лизосомах - гидролитические ферменты, в матриксе митохондрий - ферменты ЦТК, во внутренней мембране митохондрий - ферменты цепи переноса электронов и т.д.
Принципы регуляции метаболических путей
Все химические реакции в клетке протекают при участии ферментов. Поэтому, чтобы воздействовать на скорость протекания метаболического пути, достаточно регулировать количество или активность ферментов. Обычно в метаболических путях есть ключевые ферменты, благодаря которым происходит регуляция скорости всего пути. Эти ферменты (один или несколько в метаболическом пути) называются регуляторными ферментами; они катализируют, как правило, начальные реакции метаболического пути, необратимые реакции, скорость-лимитирующие реакции (самые медленные) или реакции в месте переключения метаболического пути (точки ветвления).
Регуляция скорости ферментативных реакций осуществляется на 3 независимых уровнях:
- изменением количества молекул фермента;
- доступностью молекул субстрата и кофермента;
- изменением каталитической активности молекулы фермента.
- Регуляция количества молекул фермента
в клетке.
Известно, что белки в клетке постоянно обновляются. Количество молекул фермента в клетке определяется соотношением 2 процессов - синтеза и распада белковой молекулы фермента:
Синтез и фолдинг белка - многостадийный процесс. Регуляция синтеза белка может происходить на любой стадии формирования белковой молекулы. Наиболее изучен механизм регуляции синтеза белковой молекулы на уровне транскрипции, который осуществляется определёнными метаболитами, гормонами и рядом биологически активных молекул.
Что касается распада ферментов, то регуляция этого процесса менее изучена. Можно только предполагать, что это не просто процесс протеолиза (разрушения белковой молекулы), а сложный механизм, возможно, определяемый на генетическом уровне.
- Регуляция скорости ферментативной
реакции доступностью молекул субстрата
и коферментов.
Важный параметр, контролирующий протекание метаболического пути, - наличие субстратов, и главным образом - наличие первого субстрата. Чем больше концентрация исходного субстрата, тем выше скорость метаболического пути.
Другой параметр, лимитирующий протекание метаболического пути, - наличие регенерированных коферментов. Например, в реакциях дегидрирования коферментом дегидрогеназ служат окисленные формы NAD+, FAD, FMN, которые восстанавливаются в ходе реакции. Чтобы коферменты вновь участвовали в реакции, необходима их регенерация, т.е. превращение в окисленную форму.
- Регуляция каталитической активности
ферментов
Важнейшее значение в изменении скорости метаболических путей играет регуляция каталитической активности одного или нескольких ключевых ферментов данного метаболического пути. Это высокоэффективный и быстрый способ регуляции метаболизма.
Основные способы регуляции активности ферментов:
- аллостерическая регуляция;
- регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий;
- регуляция путём фосфорилирования/дефосфорилирования молекулы фермента;
- регуляция частичным (ограниченным) протеолизом.
Аллостерическая регуляция . Аллостерическими ферментами называют ферменты, активность которых регулируется не только количеством молекул субстрата, но и другими веществами, называемыми эффекторами. Участвующие в аллостерической регуляции эффекторы - клеточные метаболиты часто именно того пути, регуляцию которого они осуществляют.
Loading...