Московская медицинская академия имени И.М. Сеченова

Кафедра общей химии

Реферативная работа №1

Студентки 1 курса 9 группы

Факультета ВСО заочного отделения

Ромашковой Екатерины Дмитриевны

Москва 2010

Механизмы регуляции метаболических процессов

Активность всех путей обмена веществ постоянно регулируется, что обеспечивает соответствие синтеза и деградации метаболитов физиологическим потребностям организма. В этом разделе рассматриваются механизмы такой регуляции. Более детально вопросы регуляции клеточного метаболизма представлены на.Поток метаболитов в обмене веществ определяется прежде всего активностью ферментов .Для воздействия на тот или иной путь достаточно регулировать активность фермента, катализирующего наиболее медленную стадию. Такие ферменты, называемые ключевыми ферментами , имеются в большинстве метаболических путей. Активность ключевого фермента регулируется на трех независимых уровнях,

Контроль транскрипции. Контроль за биосинтезом фермента (1) осуществляется на генетическом уровне. Прежде всего речь идет о синтезе соответствующей мРНК (mRNA), а также о транскрипции кодирующего фермент гена, т.е. о регуляции транскрипции .В этом процессе принимают участие регуляторные белки (RP) (факторы транскрипции), действие которых направлено непосредственно на ДНК. К тому же в генах имеются специальные регуляторные участки - промоторы - и участки связывания регуляторных белков (регуляторные элементы). На эффективность действия этих белков влияют метаболиты или гормоны. Если этот механизм усиливает синтез фермента, говорят об индукции , если же снижает или подавляет - о репрессии . Процессы индукции и репрессии осуществляются лишь в определенный отрезок времени.

Взаимопревращение. Значительно быстрее, чем контроль транскрипции, действует взаимопревращение ключевых ферментов (2). В этом случае фермент присутствует в клетке в неактивной форме. При метаболической потребности по сигналу извне и при посредничестве вторичного мессенджера активирующий фермент (E 1) переводит ключевой фермент в каталитически активную форму. Если потребность в этом пути обмена веществ отпадает, инактивирующий фермент (E 2) снова переводит ключевой фермент в неактивную форму. Процесс взаимопревращения в большинстве случаев состоит в АТФ-зависимом фосфорилировании ферментных белков протеинкиназой и соответственно дефосфорилировании фосфатазой .В большинстве случаев более активна фосфорилированная форма фермента, однако встречаются также и противоположные случаи.

Модуляция лигандами. Важным параметром, контролирующим протекание метаболического пути, является потребность в первом реагенте (здесь это метаболит А). Доступность метаболита А возрастает с повышением активности метаболического пути (3), в котором образуется А, и падает с повышением активности других путей (4), в которых А расходуется. Доступность А может быть ограничена в связи с его транспортом в другие отделы клетки.

Часто лимитирующим фактором является также доступность кофермента (5). Если кофермент регенерируется по второму независимому пути, этот путь может лимитировать скорость основной реакции. Таким образом, например, гликолиз и цитратный цикл регулируются доступностью НАД + .Так как НАД + регенерируется в дыхательной цепи, последняя регулирует катаболизм глюкозы и жирных кислот.Наконец, активность ключевого фермента может регулироваться лигандом (субстратом, конечным продуктом реакции, коферментом, другим эффектором) как аллостерическим эффектором путем связывания его не в самом активном центре, а в другом месте фермента, и вследствие этого изменением ферментативной активности.Ингибирование ключевого фермента часто вызывается конечными продуктами реакции соответствующей метаболической цепи (ингибирование по типу обратной связи ) или метаболитом, участвующим в другом пути. Стимулировать активацию фермента может также первый реагент реакционной цепи.

Гормональная регуляция метаболизма

Катализируемые ферментами активация и соответственно инактивация ключевых ферментов промежуточного метаболизма называются взаимопревращениями . Такие процессы находятся под разнообразным контролем, и том числе и гормональным. В этом разделе рассмотрены процессы взаимопревращений, осуществляющие регуляцию метаболизма гликогена в печени.

А. Гормональная регуляция расщепления гликогена

Гликоген служит в организме резервом углеводов, из которого в печени и мышцах путем расщепления быстро создается глюкозофосфат.Скорость синтеза гликогена определяется активностью гликоген-синтазы (на схеме внизу справа), в то время как расщепление катализируется гликоген-фосфорилазой (на схеме внизу слева). Оба фермента действуют на поверхности нерастворимых частиц гликогена, где они в зависимости от состояния обмена веществ могут находиться в активной или неактивной форме. При голодании или в стрессовых ситуациях (борьба, бег) возрастает потребность организма в глюкозе. В таких случаях выделяются гормоны адреналин и глюкагон . Они активируют расщепление и ингибируют синтез гликогена. Адреналин действует в мышцах и печени, а глюкагон - только в печени.

Оба гормона связываются с рецепторами на плазматической мембране (1) и активируют при посредничестве G-белков аденилатциклазу (2), которая катализирует синтез 3",5"-цикло-AMФ (цАМФ) из АТФ (АТР). Зеркально противоположным является действие на этот «вторичный мессенджер » фосфодиэстеразы цАМФ (3), гидролизующей цАМФ до АМФ (AMP). В печени диэстераза индуцируется инсулином, который поэтому не препятствует воздействию двух других гормонов (не показано). цАМФ связывается и тем самым активирует протеинкиназу А (4), которая действует по двум направлениям: с одной стороны, с помощью фосфорилирования с участием АТФ в качестве кофермента она переводит в неактивную D-форму гликоген-синтазу и вследствие этого останавливает синтез гликогена (5); с другой, активирует - также путем фосфорилирования - другую протеинкиназу, киназу фосфорилазы (8). Активная киназа фосфорилазы фосфорилирует неактивную b-форму гликоген-фосфорилазы , превращая ее в активную а-форму (7). Это приводит к высвобождению из гликогена глюкозо-1-фосфата (8), который после превращения в глюкозо-6-фосфат с участием фосфоглюкомутазы включается в гликолиз (9). В печени дополнительно образуется свободная глюкоза, которая поступает в кровь (10).

По мере уменьшения уровня цАМФ активируются фосфопротеинфосфатазы (11), которые дефосфорилируют различные фосфопротеины описанного каскада и тем самым останавливают расщепление гликогена и инициируют его синтез. Эти процессы протекают в течение нескольких секунд, так что метаболизм гликогена быстро адаптируется к измененным условиям.

Б. Взаимопревращение гликоген-фосфорилазы

Структурные изменения, которые сопровождают взаимопревращения гликоген-фосфорилазы, были установлены рентгеноструктурным анализом. Фермент представляет собой димер с симметрией второго порядка. Каждая субъединица имеет активный центр, который расположен внутри белка и в b-форме плохо доступен для субстрата. Взаимопревращение начинается с фосфорилирования серинового остатка (Ser-14) вблизи N-конца каждой из субъединиц. С фосфатными группами связываются остатки аргинина соседних субъединиц. Связывание инициирует конформационные перестройки, которые существенно увеличивают сродство фермента к аллостерическому активатору АМФ. Действие АМФ и влияние конформационных изменений на активные центры приводят к возникновению более активной а-формы. После удаления фосфатных остатков фермент самопроизвольно принимает исходную b-конформацию.

Гормональная регуляция метаболизма жирных кислот

метаболизм фермент гормональная регуляция

Адреналин и глюкагон активируют внутриклеточную липазу. Действие этих гормонов опосредовано аденилатциклазным каскадом реакций, начиная с активации аденилатциклазы и заканчивая фосфорилированием липазы, которая при этом переходит в активную форму и расщепляет эфирные связи в ТАГ. Глицерол как растворимое в плазме вещество транспортируется в печень, где используется в реакциях глюконеогенеза. Жирные кислоты транспортируются кровью в виде комплексов с сывороточными альбуминами в разные органы и ткани, где включаются в процесс окисления.

Гормональная регуляция метаболизма белков обеспечивает обеспечивает динамическое равновесие их синтеза и распада.

· Анаболизм белков контролируется гормонами аденогипофиза (соматотропин ), поджелудочной железы (инсулин ), мужских половых желез (адроген ). Усиление анаболической фазы метаболизма белков при избытке этих гормонов выражается в усиленном росте и увеличении массы тела. Недостаток анаболитических гормонов вызывает задержку роста у детей.

· Катаболизм белков регулируется гормонами щитовидной железы (тироксин и трийодтиронон ), коркового (клюкокортикоиды ) и мозгового (адреналин ) вещества надпочечников. Избыток этих гормонов усиливает распад белков в тканях, что сопровождается истощением и отрицательным азотистым балансом. Недостаток гормонов, например, щитовидной железы сопровождается ожирением.

В регуляции метаболических путей участвуют механизмы трех типов. Первый из них, наиболее быстро реагирующий на любое изменение ситуации, связан с действием аллостерических ферментов (рис. 13-15), каталитическая активность которых может меняться под влиянием особых веществ, оказывающих стимулирующее или тормозящее действие (их называют эффекторами или модуляторами; разд. 9.18).

Как правило, аллостерические ферменты занимают место в начале или поблизости от начала данной мультиферментной последовательности и катализируют ту ее стадию, которая лимитирует скорость всего процесса в целом; обычно роль такой стадии играет практически необратимая реакция.

Рис. 13-15. Регуляция катаболического пути по типу обратной связи, т. е. за счет ингибирования аллостерического фермента конечным продуктом данного процесса. Буквами J, К, L и т. д. обозначены промежуточные продукты данного метаболического пути, а буквами Е1, Е2, Е3 и т. д. ферменты, катализирующие отдельные стадии. Первая стадия катализируется аллостерическим ферментом (ЕД который ингибируется конечным продуктом данной последовательности реакций. Аллостерическое ингибирование показано прерывистой красной стрелкой, которая соединяет ингибирующий метаболит с реакцией, катализируемой аллостерическим ферментом. Регулируемая стадия (катализируемая ферментом EJ в условиях клетки обычно представляет собой практически необратимую реакцию.

В катаболических процессах, сопровождающихся синтезом АТР из ADP, в роли аллостерического ингибитора одной из ранних стадий катаболизма часто выступает именно этот конечный продукт-АТР. Аллостерическим ингибитором одной из ранних стадий анаболизма нередко служит конечный продукт биосинтеза, например какая-нибудь аминокислота (разд. 9.18). Активность некоторых аллостерических ферментов стимулируется специфическими положительными модуляторами. Аллостерический фермент, регулирующий одну из катаболических последовательностей реакций, может, например, подчиняться стимулирующему влиянию положительных модуляторов-ADP или АМР и ингибирующему действию отрицательного модулятора-АТР. Известны также случаи, когда аллостерический фермент какого-нибудь метаболического пути специфическим образом реагирует на промежуточные или конечные продукты других метаболических путей. Благодаря этому оказывается возможной координация скорости действия различных ферментных систем.

Второй тип механизмов, регулирующих метаболизм у высших организмов, - это гормональная регуляция (рис. 13-16). Гормонами называют особые химические вещества (химические «посредники»), вырабатываемые различными эндокринными железами и выделяемые непосредственно в кровь; они переносятся кровью к другим тканям или органам и здесь стимулируют или тормозят определенные виды метаболической активности. Гормон адреналин, например, секретируется мозговым веществом надпочечника и переносится кровью в печень, где он стимулирует распад гликогена до глюкозы, что вызывает повышение уровня сахара в крови. Кроме того, адреналин стимулирует распад гликогена в скелетных мышцах; этот процесс приводит к образованию лактата и к запасанию энергии в форме АТР. Адреналин вызывает эти эффекты, присоединяясь к особым рецепторным участкам на поверхности мышечных клеток или клеток печени.

Связывание адреналина служит сигналом; этот сигнал передается во внутренние отделы клетки и вызывает здесь ковалентную модификацию, под влиянием которой гликогенфосфорилаза (первый фермент в системе, катализирующей превращение гликогена в глюкозу и другие продукты; разд. 9.22) переходит из менее активной формы в более активную (рис. 13-16).

Третий тип механизмов, регулирующих метаболизм, связан с изменением концентрации данного фермента в клетке. Концентрация всякого фермента в любой данный момент определяется соотношением скоростей его синтеза и распада. Скорость синтеза некоторых ферментов при определенных условиях резко возрастает; соответственно увеличивается и концентрация данного фермента в клетке. Если, например, животное получает рацион, богатый углеводами, но бедный белком, то в печени у него оказывается крайне низким содержание ферментов, катализирующих в обычных условиях распад аминокислот до ацетил-СоА. Поскольку при таком рационе эти ферменты практически не нужны, они и не вырабатываются в больших количествах. Стоит, однако, перевести животное на рацион, богатый белком, и уже через сутки в его печени заметно повысится содержание ферментов, которые потребуются теперь для расщепления перевариваемых аминокислот.

Рис. 13-16. Гормональная регуляция ферментативной реакции. В результате присоединения гормона адреналина к специфическим рецепторам, находящимся на поверхности клеток печени, образуется при участии связанного с мембраной фермента (аденилатциклазы) циклический аденилат. Последний функционирует как аллостерический активатор, или внутриклеточный посредник, под действием которого гликогенфосфорилаза переходит из неактивной формы в активную, что влечет за собой ускорение превращения гликогена печени в глюкозу крови. Подробно этот метаболический путь описан в гл. 25.

Рис. 13-17. Индукция ферментов. Высокая внутриклеточная концентрация субстрата А может стимулировать биосинтез ферментов Е1, Е2 и Е3. Содержание этих ферментов в клетке возрастает, и тем самым создается возможность для ускорения тех реакций, в результате которых избыток субстрата А удаляется. Избыток субстрата А служит, следовательно, для клеточного ядра сигналом, вынуждающим его «включить» гены, контролирующие образование ферментов El, Е2 и Е3. Включение генов означает синтез соответствующей матричной РНК; она поступает в рибосомы, и вследствие этого в них осуществляется синтез ферментов Е1, Е2 и Е3.

Клетки печени, следовательно, обладают способностью включать или выключать биосинтез специфичных ферментов в зависимости от природы поступающих в них питательных веществ. Это явление носит название индукции ферментов (рис. 13-17).

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.

1. Все химические реакции в клетке протекают при участии ферментов. Поэтому, чтобы воздействовать на скорость протекания метаболического пути (последовательного превращения одних веществ в другие), достаточно регулировать количество молекул фермента или их активность. Обычно в метаболических путях имеются ключевые ферменты, за счет которых происходит регуляция скорости всего пути. Эти ферменты (один или несколько в метаболическом пути) называются регуляторными ферментами. Регуляция скорости ферментативных реакций осуществляется на трех независимых уровнях: изменением количества молекул фермента, доступностью молекул субстрата и кофермента, изменением каталитической активности молекулы фермента (табл. 2.6).

Таблица 2.5. Способы регуляции скорости ферментативных реакций

Рассмотрим способы регуляции скорости ферментативных реакций за счет изменения каталитической активности молекулы фермента.

2. Аллостерическая регуляция. Аллостерическими ферментами называют ферменты, активность которых может регулироваться с помощью веществэффекторов. Участвующие в аллостерической регуляции эффекторы - это клеточные метаболиты, которые часто являются участниками именно того пути, регуляцию которого они осуществляют.

Эффектор, который вызывает снижение (ингибирование) активности фермента, называется ингибитором. Эффектор, который вызываетповышение (активацию) активности ферментов, называют активатором.

Аллостерические ферменты имеют определенные особенности строения:

Обычно являются олигомерными белками, состоящими из нескольких протомеров;

Имеют аллостерический центр, пространственно удаленный 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, называется регуляторным протомером 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 кооперативное изменение конформации всех субъединиц, приводящее к изменению конформации активного центра и изменению сродства фермента к субстрату, что снижает или повышает каталитическую активность фермента. Если к аллостерическому центру присоединяется ингибитор, то в результате кооперативных конформационных изменений происходит изменение конформации активного центра, что вызывает снижение сродства фермента к субстрату и, соответственно, снижение скорости ферментативной реакции. И наоборот, если к аллостерическому центру присоединяется активатор, то сродство фермента к субстрату увеличивается, что вызывает повышение скорости реакции. Последовательность событий при действии аллостерических эффекторов представлена на рис. 2.26.

Регуляция аллостерических ферментов обратима: отсоединение эффектора от регуляторной субъединицы восстанавливает исходную каталитическую активность фермента.

Аллостерические ферменты катализируют ключевые реакции данного метаболического пути.

Аллостерические ферменты играют важную роль в различных метаболических путях, так как они чрезвычайно быстро реагируют на малейшие изменения внутреннего состава клетки. Скорость метаболических процессов зависит от концентрации веществ, как использующихся, так и образующихся в данной цепи реакций. Исходные вещества могут быть активаторами аллостерических ферментов метаболического пути. В то же время при накапливании конечного продукта какого-либо метаболического пути он может действовать как аллостерический ингибитор фермента. Такой способ регуляции распространен в организме и носит название «отрицательная обратная связь»:

Рис. 2.26. Схема строения и функционирования аллостерического фермента:

А - действие отрицательного эффектора (ингибитора). Ингибитор (I) присоединяется к аллостерическому центру, что вызывает кооперативные конформационные изменения в молекуле фермента, в том числе и в активном центре фермента. Сродство фермента к субстрату снижается, в результате снижается и скорость ферментативной реакции; Б - действие положительного эффектора (активатора). Активатор (А) присоединяется к аллостерическому центру, что вызывает кооперативные конформационные изменения. Сродство фермента к субстрату повышается, и скорость ферментативной реакции увеличивается. Продемонстрировано обратимое действие как ингибитора, так и активатора на активность фермента

Рассмотрим аллостерическую регуляцию процесса катаболизма глюкозы, который заканчивается образованием молекулы АТФ (рис. 2.27). В том случае, если молекулы АТФ в клетке не расходуются, она является ингибитором аллостерических ферментов данного метаболического пути: фосфофруктокиназы и пируваткиназы. В то же время промежуточный метаболит катаболизма глюкозы - фруктозо-1,6-бисфосфат является аллостерическим активатором фермента пируваткиназы. Ингибирование конечным продуктом метаболического пути и активация начальными метаболитами позволяет

Рис. 2.27. Аллостерическая регуляция процесса катаболизма глюкозы.

Молекула АТФ является аллостерическим ингибитором ферментов метаболического пути - фосфофруктокиназы и пируваткиназы. Молекула фруктозо-1,6-бисфосфата является аллостерическим активатором фермента пируваткиназы

осуществлять регуляцию скорости метаболического пути. Аллостерические ферменты катализируют, как правило, начальные реакции метаболического пути, необратимые реакции, скорость-лимитирующие реакции (самые медленные) или реакции в месте разветвления метаболического пути.

3. Регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий. Некоторые ферменты изменяют свою активность в результате белок-белковых взаимодействий. Можно выделить по крайней мере два механизма изменения активности фермента таким способом: активация ферментов в результате присоединения белков-активаторов (активация фермента аденилатциклазы с помощью α-субъединицы G-белка, см. модуль 4) и изменение каталитической активности в результате ассоциации и диссоциации протомеров.

В качестве примера регуляции каталитической активности ферментов ассоциацией или диссоциацией протомеров можно рассмотреть регуляцию фермента протеинкиназы А.

Протеинкиназа А (цАМФ-зависимая) состоит из четырех субъединиц двух типов: двух регуляторных (R) и двух каталитических (С). Такой тетрамер не обладает каталитической активностью. Регуляторные субъединицы имеют участки связывания для циклического 3",5"-АМФ (цАМФ) (по два на каждую субъединицу). Присоединение четырех молекул цАМФ к двум регуляторным субъединицам приводит к изменению конформации регуляторных протомеров и к диссоциации тетрамерного комплекса; при этом высвобождаются две активные каталитические субъединицы (рис. 2.28). Активная протеинкиназа А катализирует перенос остатка фосфорной кислоты с АТФ на специфические ОН-группы аминокислотных остатков белков (т.е. вызывает фосфорилирование белков).

Рис. 2.28. Регуляция активности протеинкиназы А (ПКА) с помощью белок-белковых взаимодействий.

Активация ПКА осуществляется с помощью четырех молекул цАМФ, которые присоединяются к двум регуляторным субъединицам, что приводит к изменению конформации регуляторных протомеров и диссоциации тетрамерного комплекса. При этом высвобождаются две активные каталитические субъединицы, способные вызывать фосфорилирование белков

Отщепление молекул цАМФ от регуляторных субъединиц приводит к ассоциации регуляторных и каталитических субъединиц протенкиназы А с образованием неактивного комплекса.

4. Регуляция каталитической активности ферментов путем фосфорилирова- ния-дефосфорилирования. В биологических системах часто встречается механизм регуляции активности ферментов с помощью их ковалентной модификации. Быстрым и широко распространенным способом химической модификации ферментов является их фосфорилирование-дефосфорилирование.

Фосфорилирова-нию подвергаются ОН-группы фермента, которое осуществляется ферментами протеинкиназами (фосфорилирование) ифосфопротеинфосфатазами (дефосфорилирование). Присоединение остатка фосфорной кислоты приводит к изменению конформации активного центра и его каталитической активности. При этом результат может быть двояким: одни ферменты при фосфорилировании активируются, другие, напротив, становятся менее активными (рис. 2.29). Активность протеинкиназ и фосфопротеинфосфатаз регулируется гормонами, что позволяет быстро варьировать активность ключевых ферментов метаболических путей в зависимости от условий внешней среды.

Рис. 2.29. Схема регуляции активности ферментов фосфорилированием-дефосфорилированием.

Фосфорилирование ферментов происходит с помощью фермента протеинкиназы. Донором остатка фосфорной кислоты является молекула АТФ. Фосфорилирование фермента изменяет его конформацию и конформацию активного центра, что изменяет сродство фермента к субстрату. При этом некоторые ферменты при фосфорилировании активируются, другие - ингибируются. Обратный процесс - дефосфорилирование - вызывают ферменты фосфопротеинфосфатазы, отщепляющие остаток фосфорной кислоты от фермента и возвращающие фермент в исходное состояние

5. Регуляция каталитической активности ферментов частичным (ограниченным) протеолизом. Некоторые ферменты, которые функционируют вне клеток (в желудочно-кишечном тракте или плазме крови), синтезируются в виде неактивных предшественников и активируются только в результате гидролиза одной или нескольких определенных пептидных связей, который приводит к отщеплению части молекулы. В оставшейся части белковой молекулы происходит конформационная перестройка и формируется активный центр фермента (рис. 2.30). Частичный протеолиз представляет собой пример регуляции, когда активность фермента изменяется

Рис. 2.30. Активация пепсина с помощью частичного протеолиза.

В результате гидролиза одной или нескольких пептидных связей пепсиногена (неактивной молекулы) отщепляется часть молекулы и формируется активный центр фермента пепсина

необратимо. Такие ферменты функционируют, как правило, в течение короткого времени, определяемого временем жизни белковой молекулы. Частичный протеолиз лежит в основе активации пищеварительных протеолитических ферментов (пепсин, трипсин, химотрипсин, эластаза), пептидных гормонов (инсулин), белков свертывающей системы крови и ряда других белков.

ГЛАВА 8. РЕГУЛЯТОРНЫЕ СИСТЕМЫ У ПРОКАРИОТ

Регуляция жизнедеятельности прокариотных организмов происходит на разных уровнях (транскрипционном, трансляционном, метаболическом, поведенческом) и охватывает процессы, протекающие в одной клетке и в клеточной популяции.

РЕГУЛЯЦИЯ КЛЕТОЧНОГО МЕТАБОЛИЗМА

До последнего времени основное внимание было уделено изучению регуляции клеточного метаболизма прокариот. Полученные данные дают ясное представление о том, что над метаболическими функциями клетки надстроена эффективная и сложная система регуляции.

В интактной клетке практически все протекающие метаболические процессы регулируются. Одна и та же реакция может одновременно подвергаться нескольким видам регуляторного воздействия, неравноценным по направлению и силе действия. Следствием этого является строгая координация активности отдельных метаболических процессов, приводящая к тому, что любой организм в норме представляет собой хорошо отлаженное устройство с системой развитых регуляторных связен. Эффективность клеточных регуляторных механизмов очень высока. Именно они обеспечивают максимально экономичное использование питательных веществ среды, предупреждают избыточный синтез промежуточных и конечных метаболитов, отвечают за быструю адаптацию к изменившимся условиям Следовательно, клетка в зависимости от конкретных условии должна быть способна уменьшить или увеличить скорость синтеза определенных метаболитов или скорость образования клеточной энергии.

Поскольку практически все реакции в клетке катализируются ферментами, регуляция метаболизма сводится к регуляции интенсивности ферментативных реакций. Скорость последних может регулироваться двумя основными способами: путем изменения количества ферментов и/или изменения их активности, т. с. степени испольвания их каталитического потенциала.

Регуляция активности ферментов

Факторы, регулирующие активность ферментов, разнообразны по своей природе (). Физические факторы (температура, давление, свет, магнитное поле, электрические импульсы оказывают менее специфическое действие, чем химические. В свою очередь действие последних также может быть разделено на несколько типов. Одни химические вещества связываются с активным центром фермента, например субстраты, кофакторы, конкурентные ингибиторы, что приводит к изменению ферментативной активности. Другие вещества взаимодействуют со специальными участками на поверхности молекулы определенного типа фермента, не имеющими непосредственного отношения к центрам каталитической активности, но тем не менее приводящими к ее изменению.

Наконец, активность некоторых ферментов регулируется путем химической модификации их молекулы, в основе которой лежит ковалентное обратимое связывание с ферментом определенной группировки, что приводит к изменению его активности. У прокариот известны две ферментные системы, активность которых регулируется таким путем. Глутаминсинтетаза E. coli , катализирующая синтез глутамина, существует в двух формах, различающихся присутствием в одной из них остатка адениловой кислоты. Присоединение его с помощью ковалентной связи, катализируемое соответствующим модифицирующим ферментом, приводит к образованию менее активной аденилированной глутаминсинтетазы:

Удаление адениловой группы, ведущее к возникновению деаденилированной формы фермента, резко повышает его каталитическую активность. Аналогичный механизм регулирования активности фермента путем присоединения и удаления остатка уксусной кислоты (ацетилирование — деацетилирование) обнаружен для цитратлиазы у фотосинтезирующей бактерии Rhodopseudomonas gelatinosa . В этом случае активна ацетилированная форма фермента.

Наиболее быстрым, точным и тонким механизмом регуляции активности ферментов является регуляция, которой подвергается определенный тип ферментов, получивших название аллостерических 21 . Эти ферменты, как правило, занимают ключевые позиции в обмене веществ, располагаясь в "стратегических" пунктах клеточного метаболизма — начале метаболических путей или местах разветвлений, где расходятся или сходятся несколько путей.

21 Термин подчеркивает особенность данного типа фермента, заключающуюся в том, что вещества, регулирующие его активность, структурно отличаются от субстрата катализируемой им ферментативной реакции.

Аллостерические ферменты имеют каталитический и регуляторный (аллостерический) центры, пространственно разобщенные, но функционально тесно взаимосвязанные. Каталитическая активность фермента меняется в результате связывания с его регуляторным центром определенных метаболитов, называемых эффекторами. Кроме конечных продуктов данного пути, эффекторами могут быть субстраты ферментов, а также некоторые конечные продукты родственных метаболических путей. Если действие эффектора приводит к понижению каталитической активности фермента, такой эффектор называется отрицательным, или ингибитором. Положительным называют эффектор, действие которого повышает каталитическую активность фермента. Положительным эффектором, или активатором, чаще всего бывает субстрат данного фермента.

Связывание эффектора с регуляторным центром приводит к изменению сродства фермента к субстрату в результате какого-то конформационного изменения фермента ().

Наиболее простой случай аллостерической регуляции — регуляция первого фермента неразветвленного биосинтетического пути его конечным продуктом. Если конечный продукт накапливается в избытке, он подавляет активность первого фермента в процессе, называемом ингибированием по принципу обратной связи Примером такого типа регулирования является ингибирование биосинтеза L-изолейцина () Первый фермент на пути синтеза L-изолейцина L-треониндезаминаза является аллостерическим и ингибируется только L-изолейцином.

Для разветвленных путей биосинтеза (а к таким относится большинство биосинтетических путей) механизмы регуляции усложняются, так как от активности первого фермента зависит биосинтез нескольких конечных продуктов. Очевидно следующее: механизмы регулирования в этом случае должны быть видоизменены таким образом, чтобы перепроизводство одного конечного продукта не приводило к прекращению синтеза других связанных с ним конечных продуктов. Выработалось несколько механизмов контроля по принципу обратной связи применительно к разветвленным биосинтетическим путям. Они садятся к тому, что в этом случае в регулировании принимают участие нее конечные продукты этих путей. Если первый этап биосинтетического пути катализируется одним ферментом, на поверхности молекулы этого фермента имеются различные регуляторные центры, с каждым из которых связывается один из конечных продуктов, выполняющих функцию эффектора (). Некоторые аллостерические ферменты существуют в виде нескольких молекулярных форм (изоферментов). Изоферменты катализируют одну и ту же реакцию, но обладают разными регуляторными свойствами. Это связано с тем, что изоферменты имеют одинаковые каталитические, но разные регуляторныецентры. Каждый изофермент кодируется отдельным геном. Существование изоферментов позволяет конечным продуктам независимо друг от друга ингибировать активность определенного изофермента, так как каждый изофермент индивидуально контролируется "своим" конечным продуктом ().

Регуляция синтеза ферментов

Регулирование конечным продуктом активности аллостерического фермента определенного биосинтетического пути обеспечивает мгновенную реакцию, приводящую к изменению выхода этого продукта. Если последний оказывается ненужным, отпадает надобность и в ферментах, участвующих в его синтезе. Проявлением максимальной экономичности клеточного метаболизма служат выработанные клеткой механизмы, регулирующие ее ферментный состав. Очевидна целесообразность синтеза только тех ферментов, которые необходимы в конкретных условиях. Показано, что у прокариот в одних условиях фермент может содержаться в количестве не более 1 — 2 молекул, в других — составлять несколько процентов от клеточной массы.

Количество определенного фермента в клетке может регулироваться на нескольких уровнях: на этапе транскрипции, трансляции, а также в процессе сборки и разрушения ферментного белка (см. ). В иерархии регуляторных воздействий наиболее сложный механизм, контролирующий количество ферментов в клетке, связан с процессом транскрипции. Специфические химические сигналы могут инициировать или блокировать транскрипцию определенного участка ДНК в иРНК. В случае индукции образованная иРНК участвует в определенной последовательности реакций, называемой трансляцией и заканчивающейся синтезом полипептидных цепей. Регуляция белкового синтеза на уровне трансляции может осуществляться на любом из ее этапов, например на этапе инициации, элонгации и др. Не исключена также возможность изменения времени жизни иРНК. под воздействием разных эффекторов, в том числе конечных продуктов метаболических путей. Хотя механизмы регуляции синтеза белка на уровне трансляции еще точно не установлены, ясно, что на этом этапе имеются широкие возможности для регуляции скорости синтеза различных белков.

Известно, что фермент может выполнять метаболическую функцию после приобретения соответствующей структуры. Скорость образования структур высшего порядка также находится под контролем определенных молекул. Таким образом, контроль на уровне сборки функционально активного фермента может играть существенную роль в метаболической регуляции. Наконец, скорость разрушения фермента под воздействием специфических метаболических сигналов будет также определять его концентрацию в клетке.

Регуляция синтеза ферментов на этапе транскрипции основана на том, что "считывание" бактериальных генов происходит избирательно и скорость образования копий соответствующих иРНК (а отсюда и дальнейшая их трансляция в белки) находится под сложным контрольным механизмом. Скорость синтеза ферментов, определяемая этой стадией, может меняться в разной степени. По данному признаку все ферменты делятся на два класса. Ферменты, синтез которых в растущей клетке происходит с постоянной скоростью в результате постоянного транскрибирования соответствующих генов и, следовательно, они присутствуют в клетке в более или менее постоянной концентрации, называются конститутивными. К ним относятся, например, гликолитические ферменты. Метаболические пути, функционирующие с участием конститутивных ферментов, контролируются посредством других регуляторных воздействий, например аллостерического ингибирования.

Кроме этого в бактериальных клетках имеются ферменты, количества которых могут резко меняться в зависимости от состава питательных веществ среды. Это происходит в результате того, что гены, детерминирующие эти ферменты, включаются или выключаются по мере надобности. Их называют индуцибельными. При отсутствии в среде субстратов этих ферментов последние содержатся в клетке в следовых количествах. Если в среду добавить вещество, служащее субстратом определенного фермента, происходит быстрый синтез этого фермента в клетке, т. е. имеет место индукция синтеза фермента. Если же в питательной среде в готовом виде содержится вещество, являющееся конечным продуктом какого-либо биосинтетического пути, происходит быстрое прекращение синтеза ферментов этого пути. Это явление получило название репрессии конечным продуктом. Ферменты, синтез которых подавляется конечным продуктом, могут быть дерепрессированы, т. е. скорость их синтеза превысит обычную, если концентрация конечного продукта упадет до очень низкого уровня. Дерепрессия этих ферментов аналогична явлению индукции.

Репрессия конечным продуктом. Все биосинтетические пути находятся под контролем механизма репрессии конечным продуктом. Точно так же образование большинства анаболических ферментов регулируется путем репрессии их синтеза. Репрессия осуществляется особыми присутствующими в клетке веществами — репрессорами. Факторами, модифицирующими активность репрессоров, могут быть конечные продукты биосинтетических путей, а также промежуточные продукты некоторых катаболических или амфиболических путей.

Репрессия может быть координированной, т. е. синтез каждого фермента данного пути в одинаковой степени подавляется конечным продуктом. Часто синтез ферментов одного пути репрессируется в разной степени. В разветвленных биосинтетических путях механизмы репрессии могут быть модифицированы (как и механизмы ингибирования), чтобы лучше обеспечить регуляцию нескольких конечных продуктов из общего исходного субстрата. Синтез многих ферментов в таких путях репрессируется только при совместном действии всех конечных продуктов. Если реакция на общем участке разветвленного пути катализируется изоферментами, синтез каждого из них находится под контролем "своего" конечного продукта (см. ).

Механизм репрессии конечным продуктом на уровне транскрипции стал проясняться с 50-х гг. Большой вклад в это внесли работы Ф. Жакоба и Ж. Моно. Было показано, что наряду со структурными генами, кодирующими синтез ферментов, в бактериальном геноме существуют специальные регуляторные гены. Один из них — ген-регулятор (ген R), функция которого заключается в регуляции процесса транскрипции структурного гена (или генов). Ген-регулятор кодирует синтез специфического аллостерического белка-репрессора, имеющего два центра связывания: один узнает определенную последовательность нуклеотидов на участке ДНК, называемом оператором (ген О), другой — взаимодействует с эффектором. Ген-оператор расположен рядом со структурным геном (генами) и служит местом связывания репрессора. В отличие от операторных генов гены-регуляторы расположены на некотором расстоянии от структурных генов (продукты регулярных генов — репрессоры являются свободно диффундирующими белковыми молекулами).

Часто структурные гены, относящиеся к одному биохимическому пути, объединены в группу, составляющую вместе с оператором единицу транскрипции и регуляции — оперон. Все структурные гены, объединенные в оперон, имеют один операторный участок, локализованной на краю оперона, и координирование регулируются одним репрессором. Оперон представляет собой весьма рациональную и эффективную систему регуляции метаболического пути.

Рис. 32. Триптофановый оперон Е. coli и механизм репрессии конечным продуктом. А — продукт гена-регулятора (R) — неактивная форма репрессора, неспособная связываться с оператором (О); промоторный участок (Р) открыт: происходит транскрипция структурных генов (Е, D, С, В, А). Б — в присутствии корепрессора образуется активный комплекс корепрессор — репрессор, связывающийся с оператором и закрывающий промотор; транскрипции не происходит (по Lehninger, 1974)

Процесс транскрипции начинается с прикрепления РНК-полимеразы, катализирующей синтез иРНК, к определенному участку ДНК, называемому промотором (Р). Когда молекула репрессора "садится" на операторный участок, она "закрывает" промотор, тем самым препятствуя связыванию с ним РНК-полимеразы и началу транскрипции. У прокариот пять генов, кодирующих синтез ферментов триптофанового пути, образуют оперон (рис. 32). Ген-регулятор обеспечивает синтез аллостерического белка — триптофанового репрессора, не активного в свободном состоянии. Последний в таком виде не связывается с операторным участком и, следовательно, не может препятствовать началу транскрипции. Когда конечный продукт метаболического пути (триптофан) накапливается выше определенного уровня, он взаимодействует с репрессором и активирует его.

Активированный репрессор присоединяется к операторному участку и подавляет транскрипцию триптофанового оперона. Таким образом, триптофан является корепрессором.

Индукция синтеза ферментов. В большинстве случаев регуляция путем индукции характерна для катаболических путей, где в качестве индукторов выступают обычно субстраты этих путей. Классический пример индуцибельного фермента — (3-галактозидаза Е. coli . Оказалось, что если клетки Е. coli выращивать в среде, содержащей глюкозу, то они не могут использовать лактозу. Если такие клетки поместить в среду, где лактоза — единственный источник углерода, после некоторого периода в них происходит интенсивный синтез фермента (3-галактозидазы, катализирующего гидролиз лактозы на D-глюкозу и D-галактозу. С помощью этого фермента Е. coli может теперь использовать лактозу в качестве единственного источника углерода. Если затем клетки, растущие на среде с лактозой, перенести на среду с глюкозой, синтез (3-галактозидазы прекращается.

Изучение индукции (3-галактозидазы у Е. coli позволило установить, что рост клеток на среде с лактозой происходит не в результате отбора мутантов, у которых способность использовать лактозу есть следствие мутации. Способностью синтезировать этот фермент обладают все клетки. Было также показано, что в процессе индукции происходит не активирование уже имеющегося в клетках фермента (З-галактозидазы, а его синтез de novo из аминокислот.

Индуцированный синтез ферментов у микроорганизмов был описан в 30-х гг., но механизм этого процесса долгое время оставался непонятен. Индуцированный синтез ферментов лежит в основе широко известного явления адаптации организмов к различным условиям. Успехи, достигнутые в расшифровке механизмов регуляции клеточного метаболизма, позволили объяснить природу этого явления, его механизм и роль в клетке.

Лактозный оперон Е. coli , состоящий из трех структурных генов, промотора и оператора, был первой ферментной системой, на которой Ж. Моно и Ф. Жакоб изучали механизм индукции синтеза ферментов (). В отсутствие лактозы молекула репрессора, активная в свободном состоянии, связывается с оператором и подавляет транскрипцию структурных генов. Когда в клетку попадает лактоза, она связывается с репрессором, в результате образуется неактивный комплекс репрессора с индуктором, который не может взаимодействовать с оператором и, следовательно, препятствовать транскрипции структурных генов. В результате индуцируется синтез ферментов катаболизма лактозы. При удалении из клетки индуктора репрессор снова переходит в активное свободное состояние, связывается с оператором, что приводит к прекращению синтеза соответствующих ферментов.

Катаболитная репрессия. Кроме репрессии конечным продуктом, характерной для анаболических путей, описан тип репрессии, называемой катаболитной и заключающейся в том, что быстро используемые клеткой источники энергии способны подавлять синтез ферментов других путей катаболизма, участвующих в метаболизировании сравнительно медленно используемых источников энергии. Катаболитную репрессию можно рассматривать как приспособление клетки к использованию в первую очередь наиболее легко доступных источников энергии. В присутствии такого источника энергии потребление других субстратов, менее "удобных" для клетки, временно приостанавливается, и пути катаболизирования этих субстратов временно выключаются.

Выше уже отмечалось, что если в среде для выращивания Е. coli одновременно содержатся глюкоза и лактоза, сначала используется глюкоза. Несмотря на присутствие индуктора лактозного оперона, ферменты, участвующие в катаболизме лактозы, не синтезируются. Транскрипция генов лактозного оперона начинается, когда концентрация глюкозы в среде становится низкой. Таким образом, глюкоза препятствует синтезу ферментов лактозного оперона.

Как это осуществляется? Изучение механизма катаболитной репрессии обнаружило, что этот тип регуляции тесно связан с внутриклеточным уровнем циклического АМФ (цАМФ), который в этом процессе функционирует в качестве эффектора. Он образует комплекс с аллостерическим белком — катаболитным активатором, не активным в свободном состоянии. Этот комплекс, присоединившись к определенному участку на промоторе, обеспечивает возможность связывания РНК-полимеразы с промотором и инициацию транскрипции. Количество образующегося комплекса определяется концентрацией цАМФ, которая уменьшается при увеличении содержания глюкозы в среде. Таким образом, глюкоза вызывает изменение внутриклеточной концентрации цАМФ. Это соединение обнаружено в клетках всех прокариот. Его единственная функция — регуляторная. Циклический АМФ образуется из АТФ в реакции, катализируемой аденилатциклазой, связанной с ЦПМ:

АТФ ® цАМФ + пирофосфат.

Аденилатциклаза обладает высокой активностью, если компоненты системы транспорта глюкозы в клетку фосфорилированы. Это происходит в отсутствие глюкозы, которую необходимо транспортировать. Таким образом, активность аденилатциклазы возрастает при уменьшении концентрации глюкозы в среде. Последнее приводит к повышению образования цАМФ и в конечном итоге к индукции синтеза ферментов катаболизма лактозы. Наоборот, при высокой концентрации глюкозы в среде система ее транспорта находится в дефосфорилированном состоянии, следствием чего является уменьшение активности аденилатциклазы и соответственно количества цАМФ. Таким способом глюкоза через систему своего транспорта регулирует концентрацию цАМФ в клетке. Поскольку катаболизм глюкозы связан с образованием метаболической энергии и запасанием ее в молекулах АТФ, через глюкозу в клетке связаны пулы АТФ и цАМФ: при увеличении количества АТФ уменьшается количество цАМФ и наоборот.

Особенностью всех ферментных систем, находящихся под контролем катаболитной репрессии, является участие в их индукции универсального комплекса, состоящего из белкового катаболитного активатора и цАМФ.

Регуляция различных метаболических путей

Биосинтетические пути регулируются преимущественно по механизму аллостерического ингибирования первого фермента и репрессии синтеза ферментов этого пути конечным продуктом. Регулирование разветвленных биосинтетических путей осуществляется с помощью усложненных вариантов этих же механизмов.

Основные механизмы, регулирующие катаболические пути, — индукция синтеза ферментов и катаболитная репрессия. Катаболические пути, в которых функционируют конститутивные ферменты, регулируются большей частью посредством аллостерических воздействий на активность ферментов. Одна из задач катаболических путей — обеспечение клетки энергией. У большинства прокариот возможности генерации энергии намного превышает потребности в ней клетки. Количество АТФ, которое можно синтезировать с помощью имеющихся в клетках аэробных прокариот ферментов гликолитического и дыхательного путей, значительно больше количества АТФ, необходимого для процессов биосинтеза и поддержания жизнедеятельности. Поэтому клетки должны обладать способностью контролировать потребление энергодающих субстратов и, следовательно, выработку клеточной энергии. Основной принцип контроля прост: АТФ синтезируется только тогда, когда он необходим, Иными словами, интенсивность энергетических процессов у прокариот регулируется внутриклеточным содержанием АТФ.

Адениловые нуклеотиды относятся к числу важнейших эффекторов. АМФ и АДФ действуют как положительные эффекторы, стимулирующие скорость энергетических процессов и, следовательно, повышающие выход АТФ. Наоборот, АТФ служит отрицательным эффектором, сигнализирующим о превышении процессов образования АТФ над его потреблением. В результате регуляции процессов синтеза и распада АТФ в клетке поддерживается стационарное энергетическое состояние, характеризующееся так называемым энергетическим зарядом клетки:

Величина энергетического заряда теоретически может колебаться от 1 (в клетке все адениловые нуклеотиды только в виде АТФ) до 0 (в клетке содержится только АМФ). В растущей культуре величина энергетического заряда клетки равна примерно 0,8. Уменьшение его свидетельствует об ухудшении энергообеспечения организма. Когда эта величина становится ниже 0,5, клетки погибают.

Помимо адениловых нуклеотидов в регулировании энергетических процессов активную роль играют система НАД(Ф)+/НАД(Ф)-H 2 коферментов и величина трансмембранного электрохимического градиента ионов водорода в виде обоих его составляющих (Dy pH и D pH). Преобладание аллостерического взаимодействия восстановленной или окисленной форм НАД(Ф) с ферментами катаболического пути приводит соответственно к понижению или повышению их активности. Достижение определенного порогового значения Dm H + на энергопреобразующей мембране служит определенным сигналом, тормозящим поступление ионов водорода против градиента.

Регуляция процессов активного транспорта, обеспечивающего поступление подавляющего большинства необходимых прокариотам веществ, происходит на уровне синтеза переносчика и его функционирования. Биосинтез белковых компонентов многих транспортных систем регулируется по типу индукции. Глюкоза, транспортная система которой у большинства прокариот конститутивна, подавляет образование транспортных систем других сахаров и ряда органических кислот путем катаболитной репрессии. Исключение составляют некоторые облигатно аэробные прокариоты, у которых транспорт органических кислот конститутивен, а индуцируемой является транспортная система глюкозы. Избыток субстрата в среде может репрессировать синтез соответствующей транспортной системы. Это особенно характерно для аминокислот. В этом случае регуляция транспорта координирована с регуляцией их последующего метаболизма. Обнаружена также регуляция транспорта по типу отрицательной обратной связи, когда субстрат, накопленный внутри клетки, подавляет собственный транспорт из внешней среды. Таким образом, процессы клеточного транспорта находятся под контролем тех же механизмов, что и внутриклеточные анаболические и катаболические процессы.

Получение мутантов с нарушениями в системе регуляции клеточного метаболизма, приводящими к сверхсинтезу определенных метаболитов, широко используется для получения аминокислот, витаминов, полисахаридов и других веществ, имеющих практическое значение.

РЕГУЛЯЦИЯ МЕЖКЛЕТОЧНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

Прокариоты синтезируют вещества, регулирующие не внутриклеточный метаболизм, а межклеточные взаимодействия. Особенностями этих веществ, называемых ауторегуляторами, являются выделение их в окружающую среду, проявление биологической активности в очень низкой концентрации (10 –9 — 10 –12 M) и воздействие не на организмы иного вида, а на другие особи (клетки) того же вида. Эти вещества выделяются клетками прокариот в обычных условиях культивирования и обнаруживают строгую видо- или родоспецифичность.

Как правило, реакция, вызываемая ауторегулятором, связана с жизненным циклом прокариот. Так, стадия формирования плодовых тел в жизненном цикле миксобактерий (см. рис. 21) индуцируется ауторегулятором. веществом липидной природы, выделяемом вегетативными клетками. Клетки Myxococcus xanthus выделяют вещества, вызывающие споруляцию этого вида при их концентрации в среде порядка 10 –10 M. У Streptococcus faecalis установлен половой процесс. В клетках-реципиентах синтезируются специфические ауторегуляторы (половые регуляторы, или феромоны), под воздействием которых клетки-доноры приобретают способность прилипать к реципиенту. В результате повышается вероятность образования пары донор — реципиент.

Vibrio fischeri — обычный светящийся симбионт рыб семейства Monocentudae. Синтезируемый им ауторегулятор стимулирует образование нескольких компонентов системы свечения. Эффект обнаруживается при концентрации ауторегулятора 10 нМ, что соответствует примерно 1–2 молекулам этого соединения на бактериальную клетку. Оптимальная концентрация порядка 200 нМ (приблизительно 40 молекул ауторегулятора на клетку).

Несколько видов ауторегуляторов, контролирующих синтез антибиотика и спорообразование, обнаружено у актиномицета Streptomyces griseus. Необычное циклическое соединение, индуцирующее образование спор, идентифицировано в клеточных выделениях цианобактерии Cylindrospermum licheniforme.

Таким образом, прокариотные организмы синтезируют химические вещества-сигналы, регулирующие различные процессы, связанные с межклеточными взаимодействиями в популяции одного вида или даже штамма. Место действия ауторегуляторов — клеточные ферменты. Примечательно, что большинство изученных регуляторов — вещества липидной природы. Это позволяет им легко диффундировать через клеточные мембраны без помощи специальных транспортных систем. Феромоны S. faecalis — пептиды, содержащие 8 аминокислотных остатков, единственная гидрофильная аминокислота, входящая в состав этих пептидов, — серин. Гидрофобный характер пептидных феромонов S. faecalis также указывает на возможный неспецифический механизм их переноса через клеточные мембраны.

Выявление нового класса веществ — регуляторов жизнедеятельности прокариот на межклеточном уровне — интересно тем, что позволяет рассматривать эти организмы не просто как популяцию разрозненных клеток, но указывает на существование более высокого уровня их организации.

М.В.Гусев, Л.А.Минеева 1992-2001
Кафедра клеточной физиологии и иммунологии биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова 2000-2001