Académie de médecine de Moscou nommée d'après I.M. Sechenov

Département de chimie générale

Œuvre abstraite n ° 1

Etudiants de 1ère année de 9 groupes

Département de correspondance de la Faculté de VSO

Romashkova Ekaterina Dmitrievna

Moscou 2010

Mécanismes de régulation des processus métaboliques

L'activité de toutes les voies métaboliques est constamment régulée, ce qui garantit que la synthèse et la dégradation des métabolites correspondent aux besoins physiologiques de l'organisme. Cette section traite des mécanismes d'une telle régulation. Plus de détails sur la régulation du métabolisme cellulaire sont présentés à. Le flux de métabolites dans le métabolisme est déterminé principalement par l'activité enzymes Pour influencer une voie ou une autre, il suffit de réguler l'activité de l'enzyme qui catalyse l'étape la plus lente. Ces enzymes, appelées enzymes clés se trouvent dans la plupart des voies métaboliques. L'activité de l'enzyme clé est régulée à trois niveaux indépendants,

Contrôle de la transcription. Le contrôle de biosynthèse enzymatique (1) est réalisée au niveau génétique. Tout d'abord, nous parlons de la synthèse de l'ARNm correspondant (ARNm), ainsi que de transcriptions le gène codant pour l'enzyme, c'est-à-dire à propos régulation de la transcription .Dans ce processus sont impliqués protéines régulatrices (RP) (facteurs de transcription) qui agissent directement sur l'ADN. De plus, il existe des régions régulatrices spéciales dans les gènes - promoteurs - et les sites de liaison des protéines régulatrices (éléments régulateurs). L'efficacité de ces protéines est influencée par les métabolites ou les hormones. Si ce mécanisme améliore la synthèse de l'enzyme, ils parlent de induction , si cela réduit ou supprime - oh répression ... Les processus d'induction et de répression ne se déroulent que dans un certain laps de temps.

Interconversion. L'interconversion des enzymes clés agit beaucoup plus rapidement que le contrôle de la transcription (2). Dans ce cas, l'enzyme est présente dans la cellule sous une forme inactive. Avec demande métabolique sur un signal de l'extérieur et médiatisée par un messager secondaire enzyme activatrice (E 1) convertit une enzyme clé en une forme catalytiquement active. S'il n'y a pas besoin de cette voie métabolique, enzyme d'inactivation (E 2) rend à nouveau l'enzyme clé inactive. Le processus d'interconversion consiste dans la plupart des cas en Phosphorylation dépendante de l'ATP protéines enzymatiques protéine kinase et, en conséquence, la déphosphorylation phosphatase Dans la plupart des cas, la forme phosphorylée de l'enzyme est plus active, mais des cas opposés se produisent également.

Modulation par des ligands. Un paramètre important qui contrôle la voie métabolique est la nécessité du premier réactif (ici, il s'agit du métabolite A). La disponibilité du métabolite A augmente avec une augmentation de l'activité de la voie métabolique (3), dans laquelle A est formé, et diminue avec une augmentation de l'activité des autres voies (4), dans lesquelles A est consommé. La disponibilité de A peut être limitée en raison de son transport vers d'autres parties de la cellule.

Souvent, le facteur limitant est aussi disponibilité de la coenzyme (5). Si la coenzyme est régénérée via une deuxième voie indépendante, cette voie peut limiter la vitesse de la réaction principale. Ainsi, par exemple, la glycolyse et le cycle du citrate sont régulés par la disponibilité du NAD +. Le NAD + étant régénéré dans la chaîne respiratoire, cette dernière régule le catabolisme du glucose et des acides gras. Enfin, l'activité d'une enzyme clé peut être régulée ligand (substrat, produit final de réaction, coenzyme, autre effecteur) comme effecteur allostérique en le liant non pas au centre actif lui-même, mais à un autre endroit de l'enzyme, et par conséquent, une modification de l'activité enzymatique. L'inhibition de l'enzyme clé est souvent causée par les produits finaux de la réaction de la chaîne métabolique correspondante (inhibition par type de feedback) ou un métabolite impliqué dans une autre voie. Le premier réactif de la chaîne réactionnelle peut également stimuler l'activation de l'enzyme.

Régulation hormonale du métabolisme

L'activation catalysée par des enzymes et, par conséquent, l'inactivation des enzymes clés du métabolisme intermédiaire sont appelées interconversions ... Ces processus sont sous divers contrôles, y compris hormonaux. Cette section traite des processus d'interconversion qui régulent le métabolisme du glycogène dans le foie.

A. Régulation hormonale de la dégradation du glycogène

Le glycogène sert de réserve de glucides dans le corps, à partir de laquelle le phosphate de glucose est rapidement créé dans le foie et les muscles par scission. Le taux de synthèse du glycogène est déterminé par l'activité de la glycogène synthase (dans le diagramme ci-dessous à droite), tandis que le clivage est catalysé glycogène phosphorylase (dans le diagramme, en bas à gauche). Les deux enzymes agissent à la surface des particules de glycogène insolubles, où, selon l'état du métabolisme, elles peuvent être sous forme active ou inactive. Pendant le jeûne ou dans des situations stressantes (lutte, course à pied), les besoins de l'organisme en glucose augmentent. Dans de tels cas, des hormones sont libérées adrénaline et glucagon ... Ils activent la dégradation et inhibent la synthèse du glycogène. L'adrénaline agit dans les muscles et le foie, tandis que le glucagon agit uniquement dans le foie.

Les deux hormones se lient à récepteurs sur la membrane plasmique (1) et activée par les protéines G l'adénylate cyclase (2) qui catalyse la synthèse de 3 ", 5" -cyclo-AMP (AMPc) à partir de l'ATP (ATP). Le contraire est l'effet sur cela " messager secondaire » phosphodiestérase AMPc (3), hydrolyse de l'AMPc en AMP (AMP). Dans le foie, la diestérase est induite par l'insuline, qui n'interfère donc pas avec l'action des deux autres hormones (non représentées). L'AMPc se lie et donc active protéine kinase A (4), qui agit dans deux directions: d'une part, en utilisant phosphorylation avec la participation de l'ATP en tant que coenzyme, il se transforme en forme D inactive glycogène synthase et par conséquent, arrête la synthèse du glycogène (5); d'autre part, il active - également par phosphorylation - une autre protéine kinase, phosphorylase kinase (8). Phosphorylase kinase active phosphoryle forme b inactive glycogène phosphorylase , en le transformant en forme-a active (7). Cela conduit à la libération de glucose-1-phosphate à partir du glycogène (8), qui, après avoir été converti en glucose-6-phosphate avec la participation de la phosphoglucomutase, est inclus dans la glycolyse (9). Dans le foie, du glucose libre se forme en plus, qui pénètre dans la circulation sanguine (10).

À mesure que le niveau d'AMPc diminue, phosphoprotéine phosphatase (11), qui déphosphorylent diverses phosphoprotéines de la cascade décrite et arrêtent ainsi la dégradation du glycogène et initient sa synthèse. Ces processus ont lieu en quelques secondes, de sorte que le métabolisme du glycogène s'adapte rapidement aux conditions modifiées.

B. Interconversion de la glycogène phosphorylase

Les changements structurels qui accompagnent l'interconversion de la glycogène phosphorylase ont été établis par analyse par diffraction des rayons X. L'enzyme est dimère avec symétrie du second ordre. Chaque sous-unité a un centre actif, qui est situé à l'intérieur de la protéine et est peu accessible pour le substrat sous forme b. L'interconversion commence par phosphorylation du résidu sérine (Ser-14) près de l'extrémité N-terminale de chacune des sous-unités. Les résidus d'arginine des sous-unités voisines se lient aux groupes phosphate. La liaison initie des réarrangements conformationnels qui augmentent considérablement l'affinité de l'enzyme pour l'activateur AMP allostérique. L'action de l'AMP et l'effet des changements conformationnels sur les centres actifs conduisent à l'apparition d'une forme a plus active. Après élimination des résidus de phosphate, l'enzyme prend spontanément la conformation b d'origine.

Régulation hormonale du métabolisme des acides gras

métabolisme enzyme régulation hormonale

Adrénaline et glucagon activer la lipase intracellulaire. L'action de ces hormones est médiée par la cascade de réactions adénylate cyclase, commençant par l'activation de l'adénylate cyclase et se terminant par la phosphorylation de la lipase, qui devient alors active et clive les liaisons éther dans TAG. Glycérol en tant que substance soluble dans le plasma, il est transporté vers le foie, où il est utilisé dans les réactions de gluconéogenèse. Acide gras transportés par le sang sous forme de complexes avec de l'albumine sérique vers divers organes et tissus, où ils sont impliqués dans le processus d'oxydation.

Régulation hormonale le métabolisme des protéines assure un équilibre dynamique de leur synthèse et de leur dégradation.

· Anabolisme des protéines contrôlée par les hormones de l'adénohypophyse ( somatotropine), pancréas ( insuline), glandes sexuelles mâles ( androgène). Le renforcement de la phase anabolique du métabolisme des protéines avec un excès de ces hormones se traduit par une croissance accrue et une augmentation du poids corporel. Le manque d'hormones anabolisantes provoque un retard de croissance chez les enfants.

· Catabolisme des protéines régulé par les hormones thyroïdiennes ( thyroxine et triiodothyronone), crustale ( clucocorticoïdes) et cérébrale ( adrénaline) substances des glandes surrénales. Un excès de ces hormones améliore la dégradation des protéines dans les tissus, ce qui s'accompagne d'un épuisement et d'un bilan azoté négatif. Le manque d'hormones, comme la glande thyroïde, s'accompagne d'obésité.

Trois types de mécanismes interviennent dans la régulation des voies métaboliques. Le premier d'entre eux, qui répond le plus rapidement à tout changement de situation, est associé à l'action d'enzymes allostériques (Fig.13-15), dont l'activité catalytique peut changer sous l'influence de substances spéciales qui ont un effet stimulant ou inhibiteur (on les appelle effecteurs ou modulateurs; section 9.18 ).

En règle générale, les enzymes allostériques ont lieu au début ou près du début d'une séquence multienzyme donnée et catalysent cette étape de celle-ci qui limite la vitesse de l'ensemble du processus dans son ensemble; le rôle de cette étape est généralement joué par une réaction presque irréversible.

Figure: 13-15. Régulation de la voie catabolique par le type de rétroaction, c'est-à-dire en inhibant l'enzyme allostérique par le produit final de ce processus. Les lettres J, K, L, etc. désignent les produits intermédiaires de cette voie métabolique, et les lettres E1, E2, E3, etc., sont des enzymes qui catalysent des étapes individuelles. La première étape est catalysée par une enzyme allostérique (UA qui est inhibée par le produit final d'une séquence de réactions donnée. L'inhibition allostérique est indiquée par une flèche rouge en pointillé qui relie le métabolite inhibiteur à une réaction catalysée par une enzyme allostérique.

Dans les processus cataboliques accompagnés de la synthèse d'ATP à partir d'ADP, ce produit final, l'ATP, agit souvent comme un inhibiteur allostérique de l'un des premiers stades du catabolisme. Un inhibiteur allostérique de l'un des premiers stades de l'anabolisme est souvent le produit final de la biosynthèse, par exemple, un acide aminé (section 9.18). L'activité de certaines enzymes allostériques est stimulée par des modulateurs positifs spécifiques. Une enzyme allostérique qui régule l'une des séquences de réaction catabolique peut, par exemple, obéir à l'effet stimulant des modulateurs positifs-ADP ou AMP et à l'effet inhibiteur du modulateur négatif-ATP. Il existe également des cas connus où une enzyme allostérique de certaines voies métaboliques réagit d'une manière spécifique aux produits intermédiaires ou finaux d'autres voies métaboliques. Cela permet de coordonner le taux d'action de divers systèmes enzymatiques.

Le deuxième type de mécanismes qui régulent le métabolisme des organismes supérieurs est la régulation hormonale (Fig. 13-16). Les hormones sont des produits chimiques spéciaux ("messagers" chimiques) produits par diverses glandes endocrines et libérés directement dans le sang; ils sont transportés par le sang vers d'autres tissus ou organes et ici, ils stimulent ou inhibent certains types d'activité métabolique. L'hormone adrénaline, par exemple, est sécrétée par la médullosurrénale et transportée par le sang vers le foie, où elle stimule la dégradation du glycogène en glucose, ce qui provoque une augmentation de la glycémie. De plus, l'adrénaline stimule la dégradation du glycogène dans le muscle squelettique; ce processus conduit à la formation de lactate et au stockage d'énergie sous forme d'ATP. L'épinéphrine provoque ces effets en se fixant à des sites récepteurs spécifiques à la surface des cellules musculaires ou hépatiques.

La liaison de l'adrénaline sert de signal; ce signal est transmis aux parties internes de la cellule et provoque ici une modification covalente, sous l'influence de laquelle la glycogène phosphorylase (la première enzyme du système qui catalyse la conversion du glycogène en glucose et autres produits; section 9.22) passe d'une forme moins active à une forme plus active (Fig.13-16) ).

Le troisième type de mécanismes régulant le métabolisme est associé à des changements de concentration de cette enzyme dans la cellule. La concentration de toute enzyme à un moment donné est déterminée par le rapport des taux de sa synthèse et de sa désintégration. Le taux de synthèse de certaines enzymes dans certaines conditions augmente fortement; la concentration de cette enzyme dans la cellule augmente en conséquence. Si, par exemple, un animal reçoit une alimentation riche en glucides, mais pauvre en protéines, alors le foie a une teneur extrêmement faible en enzymes qui catalysent la décomposition des acides aminés en acétyl-CoA dans des conditions normales. Étant donné que ces enzymes ne sont pratiquement pas nécessaires avec un tel régime, elles ne sont pas produites en grande quantité. Cependant, il vaut la peine de transférer l'animal dans un régime riche en protéines, et après une journée dans son foie, la teneur en enzymes augmentera sensiblement, qui sont maintenant nécessaires pour décomposer les acides aminés digérés.

Figure: 13-16. Régulation hormonale de la réaction enzymatique. En raison de la fixation de l'hormone adrénaline à des récepteurs spécifiques à la surface des cellules hépatiques, l'adénylate cyclique est formé avec la participation d'une enzyme liée à la membrane (adénylate cyclase). Ce dernier fonctionne comme un activateur allostérique, ou médiateur intracellulaire, sous l'action duquel la glycogène phosphorylase passe d'une forme inactive à une forme active, ce qui entraîne une accélération de la conversion du glycogène hépatique en glucose sanguin. Cette voie métabolique est décrite en détail dans Ch. 25.

Figure: 13-17. Induction enzymatique. Une concentration intracellulaire élevée de substrat A peut stimuler la biosynthèse des enzymes E1, E2 et E3. Le contenu de ces enzymes dans la cellule augmente, ce qui crée une opportunité d'accélérer ces réactions à la suite desquelles l'excès de substrat A est éliminé. Un excès de substrat A sert donc de signal pour le noyau cellulaire, le forçant à «activer» les gènes qui contrôlent la formation des enzymes El, E2 et E3. L'inclusion de gènes signifie la synthèse de l'ARN messager correspondant; il pénètre dans les ribosomes et, par conséquent, les enzymes E1, E2 et E3 y sont synthétisées.

Les cellules hépatiques ont donc la capacité d'activer ou de désactiver la biosynthèse d'enzymes spécifiques, en fonction de la nature des nutriments qui y pénètrent. Ce phénomène est appelé induction enzymatique (Fig. 13-17).

Section 2 1. Modulation allostérique

Avec la modulation allostérique, l'enzyme régulatrice a dans sa structure un ou plusieurs centres allostériques capables d'interagir de manière hautement sélective avec des composés de bas poids moléculaire par des modulateurs allostériques. En raison de cette interaction, la conformation de l'enzyme protéine change, y compris la structure du centre actif, ce qui s'accompagne d'un changement de l'efficacité de la catalyse. Si l'activité catalytique de l'enzyme augmente dans ce cas, il s'agit d'une activation allostérique; si l'activité de l'enzyme diminue, alors nous parlons d'inhibition allostérique. La liaison du modulateur allostérique au centre allostérique de l'enzyme se produit en raison de faibles interactions, elle est donc facilement réversible: avec une diminution de la concentration du modulateur dans l'environnement, le complexe enzyme-modulateur se dissocie et l'enzyme restaure sa conformation d'origine et, par conséquent, son activité catalytique.

Comme les modulateurs allostériques dans la cellule sont généralement des métabolites intermédiaires ou des produits finaux de l'une ou l'autre voie métabolique. La variante la plus courante de la régulation allostérique est connue sous le nom de rétro-inhibition ou inhibition de rétroaction négative. Dans ce cas, le produit final de la voie métabolique inhibe l'activité d'une enzyme régulatrice, catalysant l'une des réactions initiales de la même voie métabolique, par un mécanisme allostérique: c'est ainsi par exemple que les voies métaboliques responsables de la synthèse des nucléotides puriques ou pyrimidiniques sont régulées dans les cellules.

Le mécanisme d'activation des précurseurs peut être cité comme la deuxième variante de la régulation allostérique. Dans ce cas, l'un des métabolites intermédiaires formés au début de la voie métabolique agit comme un activateur allostérique de l'une ou l'autre enzyme qui catalyse l'une des réactions finales de la même voie métabolique:…. Un exemple est l'activation de la pyruvate kinase par le fructose-1,6-bisphosphate dans la voie métabolique de la dégradation oxydative du glucose.

Bien entendu, il n'est pas du tout nécessaire qu'un métabolite intermédiaire ou final de la même voie métabolique agisse comme un modulateur allostérique d'une enzyme régulatrice. Il existe de nombreux exemples de modulation allostérique conjuguée, lorsqu'un composé formé dans une autre voie métabolique agit comme un modulateur allostérique. Ainsi, l'accumulation d'ATP dans la cellule, dont la quantité principale est formée lors de la phosphorylation oxydative dans la chaîne des enzymes respiratoires, inhibe l'activité de l'enzyme de glycolyse phosphoructokinase par le mécanisme allostérique, inhibe l'activité de la glutamate déshydrogénase de l'enzyme du système de transdeamination, inhibe l'activité du cycle de l'isocitrate déshydrogénase. Il convient seulement de noter que l'un ou l'autre niveau de relation fonctionnelle peut être retracé entre ces voies métaboliques. Dans l'exemple ci-dessus, les trois processus métaboliques sont interconnectés par le fait que leur fonctionnement est directement lié à la production d'ATP dans la cellule, c'est-à-dire pour fournir à la cellule l'énergie disponible.

2. Modification covalente

La modification covalente est un mécanisme de régulation de l'activité des enzymes due à l'attachement au moyen d'une liaison covalente au centre de régulation d'une enzyme d'un groupe atomique ou au clivage de ce groupe. L'ajout d'un groupe supplémentaire à l'enzyme par une liaison covalente entraîne une modification de la conformation de la protéine enzymatique, qui s'accompagne d'une modification de la structure du centre actif et d'une modification de l'efficacité de la catalyse. Le clivage de ce groupe assure la restauration de la conformation d'origine de l'enzyme et, par conséquent, le retour au niveau initial de son activité catalytique. Ces groupes modificateurs peuvent être des résidus d'acide adénylique, des résidus glycosyle, mais le plus souvent la phosphorylation est l'addition de résidus d'acide phosphorique. Étant donné qu'au cours de la modification covalente, une liaison covalente est formée ou clivée entre l'enzyme et le groupement modulateur, deux enzymes supplémentaires sont nécessaires pour le fonctionnement efficace de ce mécanisme: une enzyme assure la fixation du groupement modulateur à l'enzyme régulatrice, la seconde enzyme assure l'élimination de ce groupe. Apparemment, ces enzymes supplémentaires assurent la fixation du groupe modulateur à un résidu d'acide aminé strictement défini de la chaîne polypeptidique de l'enzyme régulatrice, ainsi que son clivage sélectif. Des exemples du travail de ces mécanismes de régulation sont: l'activation de la glycogène phosphorylase par phosphorylation, l'activation de la glutamate déshydrogénase par adénylation, la diminution de l'activité du complexe pyruvate déshydrogénase suite à sa phosphorylation, la diminution de l'activité de la glycogène synthétase par phosphorylation. Le cycle complet de régulation de l'activité enzymatique par sa modification covalente peut être illustré par l'exemple de l'hépatocyte glycogène phosphorylase

3. Interaction protéine-protéine

Selon les concepts modernes, les enzymes des voies métaboliques individuelles sont combinées dans les cellules, dans la plupart des cas, en complexes multienzymes de métabolones. Dans le cadre de ces métabolones, chaque enzyme est en contact avec une ou plusieurs enzymes de cette voie métabolique. Par conséquent, la conformation et, par conséquent, l'activité catalytique de chaque enzyme individuelle dépendra de l'état des autres enzymes en contact avec elle. Par conséquent, une modification de l'activité catalytique d'une enzyme régulatrice incluse dans la métabolone, causée, par exemple, par l'ajout d'un modulateur allostérique à celle-ci, sera accompagnée d'une modification de l'activité d'autres enzymes métabolones, car leur conformation dans la composition du complexe protéique supramoléculaire subira également certaines modifications. Dans les cellules et dans le liquide extracellulaire, des protéines sont présentes qui peuvent interagir avec des protéines enzymatiques, régulant leur activité. Ces protéines sont appelées protéines modulatrices.

Ainsi, la composition des lipoprotéines du plasma sanguin comprend des apoprotéines apo-C-II et apo-C-I, qui interagissent avec les enzymes lipoprotéine lipase et lécithine cholestérol acyltransférase, respectivement, et augmentent leur activité. Dans le plasma sanguin, il existe également une protéine modulatrice antithrombine-III qui, interagissant avec l'enzyme du système de coagulation sanguine, la thrombine, inactive cette dernière.

Un exemple de protéine modulatrice intracellulaire est la calmoduline. Il est présent à l'état libre et inactif dans le cytosol des cellules de divers organes et tissus. Avec une augmentation de la concentration d'ions Ca2 + dans le cytosol, un complexe Ca-calmoduline se forme, la conformation de la calmoduline change et le complexe Ca-calmoduline acquiert la capacité d'interagir avec diverses enzymes intracellulaires. Dans cette interaction, la conformation de l'enzyme protéine change et, par conséquent, son activité catalytique change. Avec une diminution de la concentration de Ca2 + dans le cytosol, le complexe Ca-calmoduline se décompose, la calmoduline libre, en raison d'un changement de conformation de la molécule, perd son affinité pour l'enzyme. En conséquence, l'enzyme est libérée du complexe et son activité catalytique revient à son niveau d'origine. Cette méthode régule l'activité catalytique d'enzymes telles que la guanylate cyclase, le nucléotide cyclique phosphodiestérase, la pyruvate carboxylase, la NAD kinase, etc. (voir schéma à la page suivante).

4. Le rôle de l'inhibition compétitive et non compétitive dans la régulation de l'activité enzymatique dans la cellule

Ces variantes de mécanismes de régulation de l'activité enzymatique dans les cellules sont utilisées extrêmement rarement. Un exemple d'inhibition compétitive utilisée dans une cellule pour réguler son propre métabolisme est l'inhibition de l'activité de la succinate déshydrogénase de l'enzyme du cycle de l'acide tricarboxylique par des concentrations élevées d'acide oxaloacétique ou de malate, qui sont des produits intermédiaires de la même voie métabolique. Une diminution de leur concentration dans la matrice mitochondriale, où cette voie métabolique fonctionne, supprime l'inhibition, c.-à-d. l'effet régulateur est réversible.

Il faut garder à l'esprit que les médicaments sont souvent des inhibiteurs compétitifs ou non compétitifs de diverses enzymes. Ainsi, le médicament allopurinol, utilisé dans le traitement de la goutte, est un inhibiteur compétitif typique de l'enzyme xanthine oxydase, qui agit dans la cellule au stade final de la voie métabolique de la synthèse de l'acide urique. Une diminution de l'activité de cette enzyme entraîne une baisse de la concentration d'acide urique dans le sang et les tissus et empêche la réapparition de cristaux d'acide urique dans les tissus, caractéristique de la goutte.

Le médicament strophanthine G, utilisé dans le traitement de l'insuffisance cardiaque aiguë, est un inhibiteur non compétitif de la K, Na-ATPase des membranes cellulaires externes des myocardiocytes. Il existe une opinion selon laquelle l'effet thérapeutique de ce médicament est dû à la normalisation de la composition ionique de l'environnement interne des myocardiocytes à la suite de la correction de l'activité de cette enzyme membranaire.

Les nombreuses enzymes présentes dans la cellule ne sont pas toutes régulatrices. Néanmoins, pratiquement chaque voie métabolique comprend une ou plusieurs (2, parfois même 3) enzymes qui contrôlent l'intensité du flux de métabolites le long de l'une ou l'autre voie métabolique. Ces enzymes catalysent généralement des réactions thermodynamiquement irréversibles; ce sont souvent des enzymes ayant l'activité catalytique la plus faible parmi toutes les enzymes d'une voie métabolique donnée, et contrôlent donc l'intensité du flux de substance le long d'une voie métabolique donnée dans son ensemble; ils catalysent généralement l'une des premières réactions de cette voie métabolique, ce qui empêche l'accumulation de produits intermédiaires de la voie métabolique dans la cellule lorsque l'activité enzymatique diminue. Les enzymes de ce type qui contrôlent le flux de métabolites le long de la voie métabolique et sont capables de répondre avec des changements d'activité aux influences régulatrices sont appelées "enzymes clés"; parfois, ils sont également appelés «enzymes du stimulateur cardiaque». Des exemples de telles enzymes sont l'aspartate carbamoyltransférase (voie métabolique pour la synthèse des nucléotides pyrimidiniques), la phosphofructokinase (glycolyse) ou l'isocitrate déshydrogénase (cycle de l'acide tricarboxylique de Krebs).

5. Transport de substances à travers les membranes cellulaires

Pour réguler son métabolisme, une cellule peut utiliser des changements dans la perméabilité de la membrane, y compris à la fois la perméabilité de la membrane externe et des membranes qui séparent ses compartiments individuels. Ainsi, à la fois la concentration de substrats pour l'une ou l'autre voie métabolique (par exemple, la concentration d'acétyl-CoA dans le cytosol pour la synthèse d'acides gras supérieurs provenant de la matrice mitochondriale) et la concentration de cofacteurs entrant d'un compartiment cellulaire à un autre (par exemple, l'ADP provenant du cytosol vers la matrice mitochondriale).

Le transfert de substances à travers les membranes cellulaires peut être effectué par trois principaux types de processus:

a) diffusion simple,

b) diffusion facilitée,

c) transport actif.

L'intensité de la diffusion simple, c'est-à-dire Le transfert de substances à travers la membrane le long du gradient de concentration à travers la bicouche lipidique ou à travers les canaux dans la bicouche lipidique est régulé, d'une part, en modifiant l'état conformationnel de la membrane ou sa microviscosité, et d'autre part, en modifiant la concentration du métabolite transféré sur différents côtés de la membrane. L'état de la membrane peut changer en modifiant sa composition, par exemple en modifiant la teneur en cholestérol dans les membranes, et le changement du gradient de concentration du métabolite par rapport à la membrane peut être modifié par sa production ou son utilisation dans l'un des compartiments cellulaires.

Régulation de la diffusion dotée, i.e. Le transfert de substances à travers la membrane le long du gradient de concentration avec la participation du support est effectué à la fois en raison de l'action des facteurs mentionnés précédemment et en raison de deux nouveaux mécanismes: des modifications du contenu du support dans la membrane ou en raison de modifications de l'état fonctionnel de l'état des porteurs existants. Ainsi, lorsque l'insuline agit sur les cellules qui ont des récepteurs pour cette hormone, le nombre de protéines porteuses du glucose augmente dans leurs membranes externes. Changement d'intensité du transport actif, c'est-à-dire Le transfert de substances à travers les membranes avec la participation d'un porteur contre le gradient de concentration, qui vient avec la dépense d'énergie, se produit, d'une part, en raison du travail de mécanismes qui régulent les processus de diffusion facilitée, et, d'autre part, en raison d'un changement de la quantité d'énergie disponible. À son tour, l'apport d'énergie est effectué soit en raison de la fourniture de mécanismes de transport d'énergie ATP, soit en raison des gradients électrochimiques transmembranaires créés par la cellule, par exemple, des gradients H + ou des gradients ioniques Na +.

Ainsi, au cours de son évolution, la nature a créé une variété de mécanismes qui permettent aux cellules de réguler à la fois l'intensité des processus métaboliques en général et les mécanismes de régulation sélective du travail de l'une ou l'autre voie métabolique. Tous les mécanismes de régulation agissant dans le corps peuvent être divisés en deux niveaux: 1. Les mécanismes de régulation au niveau des cellules individuelles ou des mécanismes de régulation intracellulaires.

2. Mécanismes assurant la régulation des processus métaboliques au niveau de tout l'organisme, mécanismes de régulation supracellulaires.

Chacun de ces niveaux peut être subdivisé en sous-niveaux. Ainsi, dans le cadre du niveau de régulation intracellulaire, on distingue des sous-niveaux:

sous-niveau des réactions chimiques individuelles,

sous-niveau des voies métaboliques,

sous-niveau des organites cellulaires,

sous-niveau du réseau de voies métaboliques. Et le niveau de régulation supercellulaire peut être divisé en sous-niveaux:

sous-niveau d'un tissu particulier

sous-niveau d'un orgue

sous-niveau du système d'organes

sous-niveau de tout l'organisme.

Section 3 1.

La deuxième version de la classification est basée sur la nature chimique des hormones. De par leur nature chimique, les hormones sont divisées en 4 classes:

1. Hormones de nature protéique, et dans cette classe, deux sous-classes peuvent être distinguées:

a) hormones protéines simples (insuline, hormone de croissance);

b) des protéines complexes hormonales (hormone thyréostimuline, hormones gonadotropes), par nature chimique ce sont des glycoprotéines)

2. Polypeptides hormonaux (libérines et statines de l'hypothalamus, vasopressine et ocytocine, glucagon, corticotropine).

3. Hormones, dérivés d'acides aminés (mélatonine, adrénaline, thyronines iodées).

4. Hormones de nature stéroïdienne (cortisol, aldostérone, progestérone, estradiol, testostérone).

2. Cellules cibles et récepteurs hormonaux

Les cellules capables de répondre d'une manière ou d'une autre à l'action d'une hormone sont appelées cellules cibles de cette hormone. À leur tour, les organes ou tissus dans lesquels l'effet de l'hormone provoque une réaction biochimique ou physiologique spécifique sont appelés organes cibles ou tissus cibles pour cette hormone. Il faut seulement garder à l'esprit que tel ou tel tissu contient généralement plusieurs types de cellules différenciées et que toutes ne répondent pas à l'effet d'une hormone particulière.

Pour qu'une cellule réagisse à l'apparition d'une hormone ou d'une autre molécule de signalisation dans son environnement, elle doit avoir des structures spécialisées capables de reconnaître ces molécules de signalisation. Ces structures spécialisées sont des récepteurs cellulaires. De par leur nature chimique, les récepteurs cellulaires sont des protéines complexes, des glycoprotéines, qui ont dans leur structure des centres fonctionnels spécialisés capables d'interagir sélectivement avec l'une ou l'autre molécule de signalisation.

Tous les récepteurs sont des protéines polydomaines. Sur l'un des domaines, il y a un site de liaison pour une molécule de signalisation, c'est ce qu'on appelle le domaine de reconnaissance. En plus du domaine de reconnaissance, les récepteurs contiennent toujours un domaine qui est responsable du déclenchement des mécanismes intracellulaires qui fournissent la réponse d'une cellule à un signal de régulation externe, c'est ce qu'on appelle le domaine de conjugaison. L'interaction du centre de liaison au récepteur avec sa molécule de signalisation, par exemple une hormone, modifie la conformation du domaine de reconnaissance, une vague de changements conformationnels capte également le domaine de conjugaison, ce qui conduit à «l'activation» du récepteur et à l'activation de mécanismes intracellulaires pour la mise en œuvre d'un signal de régulation externe.

3. Libération d'hormones (libérines)

1. La thyrolibérine (TRH) stimule la libération de l'hormone thyréostimuline (TSH) par l'hypophyse.

2. La corticolibérine (CRH) stimule la libération de l'hormone adrénocorticotrope (ACTH) de la glande pituitaire.

3. La gonadolibérine (GnRH) stimule la libération d'hormones lutéinisantes (LH) et folliculo-stimulantes (FSH) de la glande pituitaire.

4. La somatolibérine (STH-RH) stimule la libération d'hormone de croissance (STH) de la glande pituitaire.

L'existence de prolactolibérine (PRL-RH) et de la libérine de l'hormone stimulant les mélanocytes (MSH-RH) dans l'hypothalamus est également supposée, mais jusqu'à présent, elles n'ont pas été obtenues sous une forme hautement purifiée. b). Statines 1. Somatostatine (SS), qui inhibe la libération de l'hormone de croissance par l'hypophyse; de plus, il inhibe la libération de TSH.

2. Peptide associé à la gonadolibérine (HAP), qui inhibe la libération de prolactine (PRL) de la glande pituitaire; de plus, la libération de PRL est fortement inhibée par la dopamine. Parfois, HAP et dopamine sont combinés sous le nom d'hormones inhibitrices de la prolactine (PIG). L'existence de la mélanostatine (MSH-S) a également été suggérée, mais son existence n'a pas été confirmée.

Le troisième groupe d'hormones hypothalamiques se compose de deux hormones, l'ocytocine et la vasopressine, qui, synthétisées dans l'hypothalamus, pénètrent dans le lobe postérieur de l'hypophyse, où elles s'accumulent temporairement puis pénètrent dans la circulation sanguine. Les hormones hypophysaires peuvent également être divisées en trois groupes. Le premier groupe comprend les hormones de l'hypophyse antérieure, qui stimulent l'activité des glandes endocrines périphériques. Ceux-ci inclus:

1. TSH, qui stimule la synthèse de la tétraiodothyronine (T4) et de la triiodothyronine (T3) dans la glande thyroïde.

2. ACTH, qui stimule la synthèse des glucocorticoïdes par le cortex surrénalien.

3. LH et FSH, stimulant la synthèse des hormones sexuelles dans les testicules et les ovaires.

4. Dans le travail des mécanismes de régulation qui utilisent l'AMPc, le GMPc ou les produits d'hydrolyse des phosphatides d'inositol comme seconds messagers, il y a un point commun dans les systèmes que les mécanismes d'amplification du signal sont inclus. Une hormone ou une autre molécule de signalisation, lorsqu'elle est combinée à un récepteur, active une enzyme qui génère la formation d'une multitude de molécules dans la cellule qui agissent comme un second messager. À son tour, le deuxième messager active également une enzyme qui peut modifier rapidement l'activité fonctionnelle d'un grand nombre de molécules protéiques différentes directement responsables de la formation de la réponse métabolique des cellules. Le mécanisme d'action des hormones dépend en grande partie des propriétés physico-chimiques des molécules d'hormones. Les hormones protéiques, les hormones-peptides, les hormones-dérivés d'acides aminés à l'exception des thyronines iodées, ainsi que d'autres molécules de signalisation chimiques, possédant des propriétés hydrophiles, ne sont pas capables de pénétrer dans les membranes externes des cellules. Les récepteurs de ces biorégulateurs sont localisés sur le côté externe de la membrane cellulaire externe; par conséquent, un mécanisme spécial est nécessaire pour assurer la transformation d'un signal de régulation extracellulaire en un signal intracellulaire. En règle générale, cela est associé à la synthèse dans la cellule de composés qui agissent comme des messagers intracellulaires ou «seconds messagers» qui assurent la formation d'une réponse métabolique des cellules à un signal de régulation externe.

5. Les hormones stéroïdes et les thyronines iodées, qui ont des propriétés hydrophobes, peuvent pénétrer la membrane externe dans les cellules et, en se liant à leurs récepteurs dans le cytosol ou le noyau, elles participent elles-mêmes à la formation de la réponse métabolique des cellules à un signal de régulation externe, et donc ces biorégulateurs n'ont pas besoin médiateurs tels que les «seconds messagers». L'effet régulateur des hormones du premier groupe est basé principalement sur des changements dans l'activité fonctionnelle des protéines déjà présentes dans la cellule, tandis que les effets régulateurs des hormones stéroïdes et des thyronines iodées sont principalement basés sur des changements dans l'efficacité de l'expression des gènes, et sur cette base changement de la quantité de protéines dans la cellule. Bien sûr, lorsqu'ils sont exposés à des hormones-protéines, hormones-peptides et hormones-dérivés d'acides aminés, il peut également y avoir un changement dans l'efficacité de l'expression génique, mais cela est le résultat de l'effet sur le génome cellulaire de protéines régulatrices modifiées, dont la structure change généralement avec la participation médiée des messagers intracellulaires. Ces composés sont connus sous le nom de messagers intracellulaires ou seconds messagers, dont les représentants les plus connus sont l'AMPc, le cGMP, les ions Ca +, les produits de clivage de l'inositol triphosphate des phosphatides d'inositol et le diacylglycérol.

Section 4.1. INSULINE

L'insuline est une hormone protéique. Il est synthétisé par les cellules b du pancréas. L'insuline est l'une des hormones anabolisantes les plus importantes. La liaison de l'insuline aux cellules cibles conduit à des processus qui augmentent le taux de synthèse des protéines, ainsi qu'à l'accumulation de glycogène et de lipides dans les cellules, qui sont une réserve de matière plastique et énergétique. L'insuline, probablement en raison de son effet anabolisant, stimule la croissance et la reproduction des cellules.

La molécule d'insuline se compose de deux chaînes polypeptidiques, la chaîne A et la chaîne B. La chaîne A contient 21 résidus d'acides aminés, la chaîne B en est 30. Ces chaînes sont liées par deux ponts disulfure: l'un entre A7 et B7 (nombre d'acides aminés, à partir des extrémités N des chaînes polypeptidiques), le second entre A20 et B19. Le troisième pont disulfure est dans la chaîne A, reliant A6 et A11.

Le principal stimulus physiologique de la libération d'insuline des cellules B dans le sang est une augmentation de la glycémie.

L'effet de l'insuline sur le métabolisme des glucides peut être caractérisé par les effets suivants:

1. L'insuline augmente la perméabilité des membranes cellulaires au glucose dans les tissus dits insulino-dépendants.

2. L'insuline active la dégradation oxydative du glucose dans les cellules.

3. L'insuline inhibe la dégradation du glycogène et active sa synthèse dans les hépatocytes.

4. L'insuline stimule la conversion du glucose en triglycérides de réserve.

5. L'insuline inhibe la gluconéogenèse en diminuant l'activité de certaines enzymes de gluconéogenèse.

L'effet de l'insuline sur le métabolisme lipidique consiste en une inhibition de la lipolyse dans les lipocytes due à la déphosphorylation de la triacylglycérolipase et à la stimulation de la lipogenèse.

L'insuline a un effet anabolisant sur le métabolisme des protéines: elle stimule l'entrée d'acides aminés dans les cellules, stimule la transcription de nombreux gènes et, par conséquent, stimule la synthèse de nombreuses protéines, à la fois intracellulaires et extracellulaires.

2. TYRONINES

La glande thyroïde produit deux hormones 3,5,3-triiodothyronine (T3) et 3,5,3,5-tétraiodothyronine (thyroxine, T4), qui jouent un rôle important dans la régulation du métabolisme général, le développement et la différenciation des tissus. La formation de ces hormones se produit lors du traitement post-transcriptionnel d'une protéine thyroglobuline spécifique, au cours de laquelle s'organise l'iode s'accumulant dans les cellules de la glande thyroïde. Une protéolyse intracellulaire ultérieure de la thyroglobuline iodée conduit à la libération d'hormones.

La synthèse des thyronines iodées se produit dans les thyrocytes des cellules thyroïdiennes dans le cadre de la protéine iodothyroglobuline.

La synthèse de la thyroglobuline se produit sur les ribosomes du thyrocyte dans la partie basale de la cellule, puis dans les citernes du réticulum endoplasmique rugueux, puis dans l'appareil de Golgi, les chaînes polypeptidiques de la molécule sont glycosylées avec l'ajout d'environ deux douzaines de blocs oligosaccharidiques.

L'inactivation des hormones thyroïdiennes s'effectue de différentes manières: elles peuvent subir une désiodation, une désamination, une décarboxylation. Dans tous ces cas, les hormones perdent leur activité biologique. Dans le foie, les produits de dégradation des hormones thyroïdiennes peuvent être conjugués à leur excrétion ultérieure dans la bile.

Les récepteurs des hormones thyroïdiennes se trouvent dans les cellules de divers organes et tissus. Les récepteurs de faible affinité sont situés dans le cytosol des cellules, tandis que les récepteurs de haute affinité sont situés dans les noyaux des mêmes cellules. L'introduction de la thyroxine chez les animaux de laboratoire s'accompagne du développement d'un bilan azoté positif, augmente la production de chaleur et conduit à une augmentation de l'activité de nombreux systèmes enzymatiques. À ce jour, il a été démontré que l'administration de l'hormone entraînait une augmentation de l'activité de plus de 100 enzymes. Cette augmentation de l'activité d'un grand nombre d'enzymes reflète très probablement l'effet stimulant prononcé de l'hormone sur la synthèse des protéines dans de nombreux organes et tissus.

L'introduction des hormones thyroïdiennes conduit en effet à une augmentation de la production de chaleur, mais cette augmentation de la production de chaleur n'est pas due au découplage de l'oxydation et de la phosphorylation dans les mitochondries, mais à une augmentation de la consommation d'ATP dans les cellules dans des processus dépendant de l'énergie.

3.ADRÉNALINE

Les cellules chromaffines de la médullosurrénale produisent un groupe de catécholamines de substances biologiquement actives, qui comprennent l'adrénaline, la noradrénaline et la dopamine, qui jouent un rôle important dans l'adaptation du corps au stress aigu et chronique, en particulier dans la formation de la réponse corporelle de type «combat ou fuite». Au cours du développement de cette réaction dans le corps, une mobilisation urgente des ressources énergétiques se produit: la lipolyse dans le tissu adipeux est accélérée, la glycogenèse dans le foie est activée, la glycogénolyse dans les muscles est stimulée.

Toutes les catécholamines sont synthétisées à partir de l'acide aminé tyrosine, l'adrénaline représentant environ 80% des catécholamines produites dans la médullosurrénale. La synthèse commence par la conversion de la tyrosine en dihydroxyphénylalanine (DOPA), la réaction catalysée par l'enzyme tyrosine hydroxylase. Le groupe prothétique de l'enzyme est la tétrahydrobioptérine. Au cours de la réaction suivante, la DOPA subit une décarboxylation avec la participation de l'enzyme DOPA-décarboxylase, le groupe prothétique de cette enzyme est le phosphate de pyridoxal.

La dopamine se forme. Au cours de l'oxydation, l'acide ascorbique est utilisé comme donneur d'électrons (co-substrat de réaction). Dans la réaction finale, la méthylation de la norépinéphrine au niveau du groupe amino a lieu avec sa conversion en adrénaline; la S-adénosylméthionine est utilisée comme donneur de groupe méthyle.

Sous l'influence des impulsions nerveuses pénétrant dans la médullosurrénale par le nerf splanchnique, les granules de chromaffine fusionnent avec la membrane plasmique avec la libération de catécholamines dans la circulation sanguine. L'adrénaline entrant dans la circulation sanguine sous la forme d'un complexe faiblement associé à l'albumine est transportée avec le flux sanguin vers d'autres organes et tissus.

La durée de l'existence d'adrénaline dans la circulation sanguine est mesurée par un temps de l'ordre de 10 à 30 secondes; sa concentration dans le plasma sanguin ne dépasse normalement pas 0,1 μg / l (moins de 0,55 nM / l). L'inactivation de l'adrénaline, comme les autres catécholamines, peut se faire soit par leur désamination oxydative, soit par O-méthylation. Les principaux produits finaux de l'inactivation de l'adrénaline excrétée dans l'urine sont la métanéphrine et l'acide vanilline mandélique.

Lorsque l'hormone se lie aux récepteurs b1 et b2, l'adénylate cyclase est activée, médiée par l'interaction des récepteurs activés avec les protéines Gs, qui s'accompagne d'une augmentation de la concentration d'AMPc dans la cellule. Lorsque l'hormone interagit avec le récepteur a2 avec la participation de la protéine Gi, l'adénylate cyclase est inhibée et la concentration d'AMPc dans la cellule diminue.

Dans le cas de l'action de l'adrénaline à travers les récepteurs b2, le clivage du glycogène dans le foie est stimulé par la libération de glucose dans la circulation sanguine, tandis qu'il y a une légère stimulation de la gluconéogenèse dans les hépatocytes. Dans les muscles via les récepteurs b2, l'adrénaline stimule la glycogénolyse. Grâce à ce type de récepteur, l'adrénaline augmente la sécrétion d'insuline et de glucagon dans le pancréas ou la sécrétion de rénine dans les reins.

4. GLUCAGONE

Le glucagon est une hormone polypeptidique sécrétée par les cellules a du pancréas. La fonction principale de cette hormone est de maintenir l'homéostasie énergétique du corps en mobilisant des ressources énergétiques endogènes, ce qui explique son effet catabolique total.

La chaîne polypeptidique du glucagon comprend 29 résidus d'acides aminés, son poids moléculaire est de 4200 et elle ne contient pas de cystéine. Le glucagon a été synthétisé chimiquement, ce qui a finalement confirmé sa structure chimique.

Le site principal de la synthèse du glucagon est les cellules a du pancréas, mais des quantités assez importantes de cette hormone se forment dans d'autres organes du tractus gastro-intestinal. Le glucagon est synthétisé sur les ribosomes des cellules a sous la forme d'un précurseur plus long avec un poids moléculaire d'environ 9 000. Pendant le traitement, un raccourcissement significatif de la chaîne polypeptidique se produit, après quoi le glucagon est sécrété dans le sang. Il est sous forme libre dans le sang, sa concentration dans le sérum sanguin est de 20 à 100 ng / l. Sa demi-vie est d'environ 5 minutes. La partie principale du glucagon est inactivée dans le foie par clivage hydrolytique de 2 résidus d'acides aminés de l'extrémité N-terminale de la molécule.

La sécrétion de glucagon par les cellules a du pancréas est inhibée par une glycémie élevée, ainsi que par la somatostatine sécrétée par les cellules D du pancréas. Il est possible que la sécrétion de glucagon soit également inhibée par l'insuline ou l'IGF-1. La sécrétion est stimulée par une diminution de la concentration de glucose dans le sang, mais le mécanisme de cet effet n'est pas clair. De plus, la sécrétion de glucagon est stimulée par l'hormone de croissance de l'hypophyse, l'arginine et le Ca2 +.

Le mécanisme d'action du glucagon est bien compris. Les récepteurs de l'hormone sont localisés dans la membrane cellulaire externe. La formation de complexes hormone-récepteur s'accompagne de l'activation de l'adénylate cyclase et d'une augmentation de la concentration d'AMPc dans les cellules, accompagnée de l'activation de la protéine kinase et de la phosphorylation des protéines avec une modification de l'activité fonctionnelle de cette dernière.

Sous l'action du glucagon dans les hépatocytes, la mobilisation du glycogène avec la libération de glucose dans le sang est accélérée. Cet effet de l'hormone est dû à l'activation de la glycogène phosphorylase et à l'inhibition de la glycogène synthétase en raison de leur phosphorylation. Il est à noter que le glucagon, contrairement à l'adrénaline, n'affecte pas le taux de glycogénolyse dans les muscles.

Le glucagon active le processus de gluconéogenèse dans les hépatocytes: premièrement, il accélère la dégradation des protéines dans le foie, et les acides aminés qui en résultent sont utilisés comme substrats pour la gluconéogenèse; d'autre part, l'activité d'un certain nombre d'enzymes, telles que la fructose-1,6-bisphosphatase, la phosphoénolpyruvate carboxykinase, la glucose-6-phosphatase, impliquées dans la gluconéogenèse, à la fois en raison de l'activation d'enzymes existantes et de l'induction de leur synthèse, augmente. En raison de l'activation de la gluconéogenèse, une augmentation du flux de glucose dans le sang se produit également. L'accélération de l'utilisation des acides aminés pour la gluconéogenèse s'accompagne d'une augmentation du volume de synthèse d'urée et d'une augmentation de la quantité d'urée excrétée dans l'urine.

Le glucagon stimule la lipolyse des lipocytes, augmentant ainsi le flux de glycérol et d'acides gras supérieurs dans le sang. Dans le foie, l'hormone inhibe la synthèse des acides gras et du cholestérol à partir de l'acétyl-CoA, et l'accumulation d'acétyl-CoA est utilisée pour la synthèse des corps acétoniques. Ainsi, le glucagon stimule la cétogenèse.

Dans les reins, le glucagon augmente la filtration glomérulaire, ce qui explique apparemment l'augmentation de l'excrétion des ions sodium, chlore, potassium, phosphore et acide urique observée après l'administration de glucagon.

5. CORTISOL

Le principal glucocorticoïde chez l'homme est le cortisol: 10 à 30 mg de cortisol et 2 à 4 mg d'un autre glucocorticoïde, la corticostérone, sont synthétisés dans les glandes surrénales par jour. Les hormones du cortex surrénalien, en particulier les glucocorticoïdes, jouent un rôle important dans l'adaptation à un stress sévère.

La structure de toutes les hormones stéroïdes est basée sur le noyau cyclopentanperhydrophénanthrène, qui a 17 atomes de carbone et comprend quatre cycles ou anneaux, désignés par les lettres A, B, C et D.

La synthèse du cortisol se produit dans les cellules des zones fasciculaire et réticulaire du cortex surrénalien. Le composé initial pour la synthèse du cortisol est le cholestérol, il pénètre dans les cellules du cortex surrénalien à partir du sang, seule une petite partie de celui-ci est formée dans les cellules par synthèse d'acétyl-CoA.

La sécrétion de cortisol est fortement influencée par le stress physique et émotionnel, l'anxiété, la peur, etc., mais tous ces effets sont médiés par le système nerveux à travers le lien hypothalamique de régulation.

L'introduction de cortisol entraîne une augmentation de la teneur en acides gras supérieurs dans le plasma sanguin. Cela peut en partie être le résultat de la stimulation de la lipolyse dans les cellules du tissu adipeux. Fait intéressant, un excès de cortisol stimule la lipolyse dans le tissu adipeux des extrémités, mais en même temps, il stimule la lipogenèse dans le tissu adipeux du tronc et du visage. Lors d'une augmentation du taux d'acides gras supérieurs, l'inhibition de l'entrée du glucose dans les cellules des tissus périphériques apporte une certaine contribution: d'une part, un manque de glucose dans les cellules des tissus périphériques conduit à une augmentation de la mobilisation des triglycérides de réserve, et d'autre part, un manque de glucose dans les lipocytes conduit à un manque de phosphodihydroxyacétone en eux, ce qui est nécessaire pour la synthèse des triglycérides, les acides gras supérieurs non utilisés sont également transférés des lipocytes dans le sang.

1. Toutes les réactions chimiques dans la cellule ont lieu avec la participation d'enzymes. Par conséquent, pour influencer le rythme de la voie métabolique (la transformation séquentielle de certaines substances en d'autres), il suffit de réguler le nombre de molécules enzymatiques ou leur activité. Habituellement, dans les voies métaboliques, il existe enzymes clés,en raison de laquelle il existe une régulation de la vitesse de l'ensemble du chemin. Ces enzymes (une ou plusieurs dans la voie métabolique) sont appelées enzymes régulatrices.La régulation de la vitesse des réactions enzymatiques s'effectue à trois niveaux indépendants: une modification du nombre de molécules enzymatiques, la disponibilité des molécules de substrat et de coenzyme et une modification de l'activité catalytique d'une molécule enzymatique (tableau 2.6).

Tableau 2.5. Méthodes de régulation de la vitesse des réactions enzymatiques

Considérons les moyens de réguler la vitesse des réactions enzymatiques en modifiant l'activité catalytique de la molécule enzymatique.

2. Régulation allostérique. Enzymes allostériquesappelé enzymes, activitélequel peut être réglementévia effets de substance.Les effecteurs impliqués dans la régulation allostérique sont des métabolites cellulaires qui participent souvent à la voie même qu'ils régulent.

Un effecteur qui provoque diminution (inhibition)l'activité enzymatique est appelée inhibiteur.Un effecteur qui provoque augmenter (activation)activité enzymatique, appelée activateur.

Les enzymes allostériques ont certaines caractéristiques structurelles:

Sont généralement protéines oligomères,constitué de plusieurs protomères;

Avoir centre allostérique,spatialement éloigné du site catalytique actif;

Les effecteurs se fixent à l'enzyme de manière non covalente au niveau des centres allostériques (régulateurs).

Les centres allostériques, ainsi que les centres catalytiques, peuvent présenter une spécificité différente vis-à-vis des ligands: ils peuvent être absolus ou spécifiques à un groupe. Certaines enzymes ont plusieurs centres allostériques, dont certains sont spécifiques aux activateurs, d'autres aux inhibiteurs.

Le protomère sur lequel se trouve le centre allostérique s'appelle protomètre réglementairecontrairement à protomère catalytique,contenant un centre actif dans lequel une réaction chimique a lieu.

Les enzymes allostériques ont la propriété coopération:l'interaction de l'effecteur allostérique avec le centre allostérique provoque une modification coopérative de la conformation de toutes les sous-unités, conduisant à une modification de la conformation du centre actif et à une modification de l'affinité de l'enzyme pour le substrat, ce qui réduit ou augmente l'activité catalytique de l'enzyme. Si un inhibiteur est attaché au centre allostérique, à la suite de changements conformationnels coopératifs, la conformation du centre actif change, ce qui entraîne une diminution de l'affinité de l'enzyme pour le substrat et, en conséquence, une diminution de la vitesse de la réaction enzymatique. Inversement, si un activateur est attaché au centre allostérique, l'affinité de l'enzyme pour le substrat augmente, ce qui entraîne une augmentation de la vitesse de réaction. La séquence des événements sous l'action des effecteurs allostériques est représentée sur la Fig. 2.26.

Régulation des enzymes allostériques réversible:le détachement de l'effecteur de la sous-unité régulatrice restaure l'activité catalytique d'origine de l'enzyme.

Enzymes allostériques catalyser les réactions clésune voie métabolique donnée.

Les enzymes allostériques jouent un rôle important dans diverses voies métaboliques, car elles réagissent extrêmement rapidement aux moindres changements de la composition interne de la cellule. Le rythme des processus métaboliques dépend de la concentration des substances, à la fois utilisées et formées dans une chaîne de réactions donnée. Les substances de départ peuvent être des activateurs d'enzymes allostériques de la voie métabolique. Dans le même temps, lorsque le produit final de toute voie métabolique s'accumule, il peut agir comme un inhibiteur allostérique de l'enzyme. Ce mode de régulation est courant dans le corps et est appelé «rétroaction négative»:

Figure: 2.26. Schéma de la structure et du fonctionnement de l'enzyme allostérique:

A - l'action d'un effecteur négatif (inhibiteur). L'inhibiteur (I) se fixe au centre allostérique, ce qui provoque des changements conformationnels coopératifs dans la molécule d'enzyme, y compris dans le centre actif de l'enzyme. L'affinité de l'enzyme pour le substrat diminue, en conséquence, la vitesse de la réaction enzymatique diminue également; B - l'action d'un effecteur positif (activateur). L'activateur (A) s'attache au centre allostérique, ce qui provoque des changements conformationnels coopératifs. L'affinité de l'enzyme pour le substrat augmente et la vitesse de la réaction enzymatique augmente. Démonstration de l'action réversible de l'inhibiteur et de l'activateur sur l'activité enzymatique

Considérons la régulation allostérique du catabolisme du glucose, qui se termine par la formation d'une molécule d'ATP (Fig. 2.27). Dans le cas où les molécules d'ATP ne sont pas consommées dans une cellule, il s'agit d'un inhibiteur des enzymes allostériques de cette voie métabolique: la phosphofructokinase et la pyruvate kinase. Dans le même temps, un métabolite intermédiaire du catabolisme du glucose, le fructose-1,6-bisphosphate, est un activateur allostérique de l'enzyme pyruvate kinase. L'inhibition par le produit final de la voie métabolique et l'activation par les métabolites initiaux permettent

Figure: 2.27. Régulation allostérique du catabolisme du glucose.

La molécule d'ATP est un inhibiteur allostérique des enzymes de la voie métabolique - phosphofructokinase et pyruvate kinase. La molécule de fructose-1,6-bisphosphate est un activateur allostérique de l'enzyme pyruvate kinase

réguler le taux de la voie métabolique. En règle générale, les enzymes allostériques catalysent les réactions initiales de la voie métabolique, les réactions irréversibles, les réactions de limitation de la vitesse (les plus lentes) ou les réactions au site de la ramification de la voie métabolique.

3. Régulation utilisant des interactions protéine-protéine.Certaines enzymes modifient leur activité à la suite d'interactions protéine-protéine. Au moins deux mécanismes peuvent être distingués pour modifier l'activité de l'enzyme de cette manière: l'activation des enzymes à la suite de l'attachement de protéines activatrices (activation de l'enzyme adénylate cyclase à l'aide de la sous-unité α de la protéine G, voir module 4) et les modifications de l'activité catalytique résultant de l'association et de la dissociation de protomères.

A titre d'exemple de régulation de l'activité catalytique des enzymes par association ou dissociation de protomères, on peut considérer la régulation de l'enzyme protéine kinase A.

Protéine kinase A(dépendant de l'AMPc) se compose de quatre sous-unités de deux types: deux régulateurs (R) et deux catalytiques (C). Ce tétramère n'a pas d'activité catalytique. Les sous-unités régulatrices ont des sites de liaison pour l'AMP cyclique de 3 ", 5" (AMPc) (deux pour chaque sous-unité). La fixation de quatre molécules d'AMPc à deux sous-unités régulatrices conduit à une modification de la conformation des protomères régulateurs et à la dissociation du complexe tétramère; dans ce cas, deux sous-unités catalytiques actives sont libérées (Fig. 2.28). La protéine kinase A active catalyse le transfert du résidu d'acide phosphorique de l'ATP vers des groupes OH spécifiques de résidus d'acides aminés des protéines (c'est-à-dire qu'elle provoque la phosphorylation des protéines).

Figure: 2.28. Régulation de l'activité de la protéine kinase A (PKA) par des interactions protéine-protéine.

La PKA est activée par quatre molécules d'AMPc, qui se lient à deux sous-unités régulatrices, ce qui conduit à une modification de la conformation des protomères régulateurs et à la dissociation du complexe tétramère. Dans ce cas, deux sous-unités catalytiques actives sont libérées qui peuvent provoquer la phosphorylation des protéines

Le clivage des molécules d'AMPc à partir des sous-unités régulatrices conduit à l'association des sous-unités régulatrices et catalytiques de la protéine kinase A avec la formation d'un complexe inactif.

4. Régulation de l'activité catalytique des enzymes par phosphorylation-déphosphorylation.Dans les systèmes biologiques, un mécanisme de régulation de l'activité enzymatique au moyen de leur modification covalente est souvent rencontré. Une méthode rapide et répandue de modification chimique des enzymes est leur phosphorylation-déphosphorylation.

Les groupes OH de l'enzyme sont phosphorylés, ce qui est réalisé par des enzymes protéines kinases(phosphorylation) et phosphoprotéines phosphatases(déphosphorylation). L'ajout d'un résidu d'acide phosphorique entraîne une modification de la conformation du site actif et de son activité catalytique. Dans ce cas, le résultat peut être double: certaines enzymes sont activées lors de la phosphorylation, tandis que d'autres, au contraire, deviennent moins actives (Fig. 2.29). L'activité des protéines kinases et des phosphoprotéines phosphatases est régulée par des hormones, ce qui permet de faire varier rapidement l'activité des enzymes clés des voies métaboliques en fonction des conditions environnementales.

Figure: 2.29. Schéma de régulation de l'activité enzymatique par phosphorylation-déphosphorylation.

La phosphorylation des enzymes se produit par l'enzyme protéine kinase. Le donneur du résidu d'acide phosphorique est la molécule d'ATP. La phosphorylation de l'enzyme modifie sa conformation et la conformation du site actif, ce qui modifie l'affinité de l'enzyme pour le substrat. Dans ce cas, certaines enzymes sont activées lors de la phosphorylation, d'autres sont inhibées. Le processus inverse - la déphosphorylation - est causé par les enzymes de la phosphoprotéine phosphatase, qui clivent le reste de l'acide phosphorique de l'enzyme et ramènent l'enzyme à son état d'origine

5. Régulation de l'activité catalytique des enzymes par protéolyse partielle (limitée).Certaines enzymes qui fonctionnent en dehors des cellules (dans le tractus gastro-intestinal ou le plasma sanguin) sont synthétisées comme des précurseurs inactifs et ne sont activées qu'à la suite de l'hydrolyse d'une ou plusieurs liaisons peptidiques spécifiques, ce qui conduit au clivage d'une partie de la molécule. Dans le reste de la molécule de protéine, un réarrangement conformationnel se produit et le centre actif de l'enzyme se forme (Fig. 2.30). La protéolyse partielle est un exemple de régulation où l'activité enzymatique est modifiée

Figure: 2.30. Activation de la pepsine par protéolyse partielle.

À la suite de l'hydrolyse d'une ou plusieurs liaisons peptidiques de pepsinogène (molécule inactive), une partie de la molécule est séparée et le centre actif de l'enzyme pepsine est formé

irréversible. De telles enzymes fonctionnent, en règle générale, pendant une courte période, déterminée par la durée de vie de la molécule protéique. La protéolyse partielle sous-tend l'activation des enzymes protéolytiques digestives (pepsine, trypsine, chymotrypsine, élastase), des hormones peptidiques (insuline), des protéines du système de coagulation sanguine et de nombreuses autres protéines.

CHAPITRE 8. SYSTÈMES DE RÉGLEMENTATION DU PROKARIOT

La régulation de l'activité vitale des organismes procaryotes se produit à différents niveaux (transcriptionnel, traductionnel, métabolique, comportemental) et couvre les processus se produisant dans une cellule et dans une population cellulaire.

RÉGULATION DU MÉTABOLISME CELLULAIRE

Jusqu'à récemment, l'attention principale était portée à l'étude de la régulation du métabolisme cellulaire chez les procaryotes. Les données obtenues donnent une idée claire qu'un système de régulation efficace et complexe est construit au-dessus des fonctions métaboliques de la cellule.

Dans une cellule intacte, presque tous les processus métaboliques sont régulés. Une même réaction peut être soumise simultanément à plusieurs types d'influences régulatrices, inégales dans le sens et la force de l'action. La conséquence en est la coordination stricte de l'activité des processus métaboliques individuels, conduisant au fait que tout organisme est normalement un appareil bien huilé avec un système de connexions réglementaires développées. L'efficacité des mécanismes de régulation cellulaire est très élevée. Ils fournissent l'utilisation la plus économique des nutriments dans l'environnement, empêchent la synthèse excessive de métabolites intermédiaires et finaux et sont responsables d'une adaptation rapide aux conditions modifiées.Par conséquent, la cellule, en fonction des conditions spécifiques, devrait être capable de réduire ou d'augmenter le taux de synthèse de certains métabolites ou le taux de génération d'énergie cellulaire.

Puisque presque toutes les réactions dans la cellule sont catalysées par des enzymes, la régulation du métabolisme est réduite à la régulation de l'intensité des réactions enzymatiques. Le taux de ces derniers peut être régulé de deux manières principales: en modifiant la quantité d'enzymes et / ou en modifiant leur activité, c'est-à-dire, le degré d'utilisation de leur potentiel catalytique.

Régulation de l'activité enzymatique

Les facteurs régulant l'activité des enzymes sont de nature diverse (). Les facteurs physiques (température, pression, lumière, champ magnétique, impulsions électriques ont un effet moins spécifique que les facteurs chimiques. À son tour, l'action de ces derniers peut également être divisée en plusieurs types. Certaines substances chimiques se lient au centre actif de l'enzyme, par exemple, substrats, cofacteurs, compétitifs inhibiteurs, ce qui conduit à une modification de l'activité enzymatique D'autres substances interagissent avec des zones spéciales à la surface d'une molécule d'un certain type d'enzyme qui ne sont pas directement liées aux centres d'activité catalytique, mais conduisent néanmoins à son changement.

Enfin, l'activité de certaines enzymes est régulée par une modification chimique de leur molécule, qui repose sur une liaison covalente réversible avec une enzyme d'un certain groupe, ce qui conduit à une modification de son activité. Chez les procaryotes, on connaît deux systèmes enzymatiques dont l'activité est régulée de cette manière. Glutamine synthétase E. coli, qui catalyse la synthèse de la glutamine, existe sous deux formes, différant par la présence d'un résidu d'acide adénylique dans l'une d'entre elles. Son attachement au moyen d'une liaison covalente, catalysée par une enzyme de modification appropriée, conduit à la formation de glutamine synthétase adénylée moins active:

L'élimination du groupe adényle, conduisant à l'apparition de la forme deadénylée de l'enzyme, augmente fortement son activité catalytique. Un mécanisme similaire de régulation de l'activité enzymatique par l'ajout et l'élimination du résidu d'acide acétique (acétylation - désacétylation) a été trouvé pour la citrate lyase dans les bactéries photosynthétiques Rhodopseudomonas gelatinosa... Dans ce cas, la forme acétylée de l'enzyme est active.

Le mécanisme le plus rapide, le plus précis et le plus subtil de régulation de l'activité enzymatique est la régulation à laquelle un certain type d'enzyme, appelé allostérique 21, est soumis. En règle générale, ces enzymes occupent des positions clés dans le métabolisme, étant situées aux points «stratégiques» du métabolisme cellulaire - le début des voies métaboliques ou des points de ramification où plusieurs voies divergent ou convergent.

21 Le terme souligne la particularité de ce type d'enzyme, qui est que les substances qui régulent son activité sont structurellement différentes du substrat de la réaction enzymatique qu'elle catalyse.

Les enzymes allostériques ont des centres catalytiques et régulateurs (allostériques) qui sont spatialement séparés, mais fonctionnellement étroitement liés. L'activité catalytique d'une enzyme change en raison de la liaison à son centre de régulation de certains métabolites, appelés effecteurs. En plus des produits finaux de cette voie, les substrats enzymatiques, ainsi que certains produits finaux des voies métaboliques associées, peuvent être des effecteurs. Si l'action d'un effecteur conduit à une diminution de l'activité catalytique de l'enzyme, un tel effecteur est appelé négatif, ou inhibiteur. Un effecteur est dit positif, dont l'action augmente l'activité catalytique de l'enzyme. Un effecteur positif, ou activateur, est le plus souvent le substrat d'une enzyme donnée.

La liaison de l'effecteur au centre de régulation conduit à un changement d'affinité de l'enzyme pour le substrat à la suite d'un changement de conformation de l'enzyme ().

Le cas le plus simple de régulation allostérique est la régulation de la première enzyme de la voie de biosynthèse non ramifiée par son produit final. Si le produit final s'accumule en excès, il inhibe l'activité de la première enzyme dans un processus appelé rétro-inhibition Un exemple de ce type de régulation est l'inhibition de la biosynthèse de la L-isoleucine () La première enzyme dans la voie de la synthèse de la L-isoleucine La L-thréonine désaminase est allostérique et seule la L est inhibée -isoleucine.

Pour les voies de biosynthèse ramifiées (et celles-ci incluent la plupart des voies de biosynthèse), les mécanismes de régulation deviennent plus compliqués, car la biosynthèse de plusieurs produits finaux dépend de l'activité de la première enzyme. Ce qui suit est évident: les mécanismes de régulation dans ce cas devraient être modifiés de manière à ce que la surproduction d'un produit final n'entraîne pas l'arrêt de la synthèse d'autres produits finaux apparentés. Plusieurs mécanismes de contrôle de rétroaction ont été développés pour les voies de biosynthèse ramifiées. Ils s'assoient sur le fait que dans ce cas, les produits finaux de ces chemins participent au règlement. Si la première étape de la voie de biosynthèse est catalysée par une enzyme, il existe différents centres de régulation à la surface de la molécule de cette enzyme, dont chacun se lie à l'un des produits finaux qui remplissent la fonction d'un effecteur (). Certaines enzymes allostériques existent sous plusieurs formes moléculaires (isozymes). Les isozymes catalysent la même réaction, mais ont des propriétés régulatrices différentes. Cela est dû au fait que les isozymes ont les mêmes centres de régulation catalytiques, mais différents. Chaque isozyme est codé par un gène séparé. L'existence d'isoenzymes permet aux produits finaux d'inhiber indépendamment l'activité d'une isoenzyme particulière, puisque chaque isoenzyme est individuellement contrôlée par «son» produit final ().

Régulation de la synthèse enzymatique

La régulation par le produit final de l'activité d'une enzyme allostérique d'une certaine voie de biosynthèse fournit une réaction instantanée conduisant à une modification du rendement de ce produit. Si ce dernier s'avère inutile, il n'y a pas besoin des enzymes impliquées dans sa synthèse. La manifestation de l'efficacité maximale du métabolisme cellulaire est les mécanismes développés par la cellule qui régulent sa composition enzymatique. L'opportunité de ne synthétiser que les enzymes nécessaires dans des conditions spécifiques est évidente. Il a été montré que chez les procaryotes, dans certaines conditions, l'enzyme peut être contenue dans une quantité ne dépassant pas 1 à 2 molécules, dans d'autres, elle peut représenter quelques pour cent de la masse cellulaire.

La quantité d'une certaine enzyme dans une cellule peut être régulée à plusieurs niveaux: au stade de la transcription, de la traduction, ainsi qu'au cours du processus d'assemblage et de destruction de l'enzyme protéine (voir). Dans la hiérarchie des actions de régulation, le mécanisme le plus complexe qui contrôle la quantité d'enzymes dans la cellule est associé au processus de transcription. Des signaux chimiques spécifiques peuvent initier ou bloquer la transcription d'une région spécifique d'ADN en ARNm. Dans le cas de l'induction, l'ARNm généré participe à une certaine séquence de réactions appelée traduction et aboutissant à la synthèse de chaînes polypeptidiques. La régulation de la synthèse protéique au niveau de la traduction peut être réalisée à n'importe lequel de ses stades, par exemple au stade d'initiation, d'élongation, etc. Il est également possible de modifier la durée de vie de l'ARNm. sous l'influence de divers effecteurs, y compris les produits finaux des voies métaboliques. Bien que les mécanismes de régulation de la synthèse des protéines au niveau de la traduction n'aient pas encore été précisément établis, il est clair qu'à ce stade, il existe de nombreuses opportunités pour réguler le taux de synthèse de diverses protéines.

On sait qu'une enzyme peut remplir une fonction métabolique après avoir acquis une structure appropriée. La vitesse de formation des structures d'ordre supérieur est également contrôlée par certaines molécules. Ainsi, le contrôle au niveau de l'assemblage d'une enzyme fonctionnellement active peut jouer un rôle essentiel dans la régulation métabolique. Enfin, la vitesse à laquelle l'enzyme est dégradée par des signaux métaboliques spécifiques déterminera également sa concentration dans la cellule.

La régulation de la synthèse enzymatique au stade de la transcription est basée sur le fait que les gènes bactériens sont «lus» sélectivement et que le taux de copie de l'ARNm correspondant (et donc leur traduction ultérieure en protéines) est soumis à un mécanisme de contrôle complexe. Le taux de synthèse enzymatique déterminé par cette étape peut varier à des degrés divers. Sur cette base, toutes les enzymes sont divisées en deux classes. Les enzymes, dont la synthèse dans une cellule en croissance se produit à une vitesse constante en raison de la transcription constante des gènes correspondants et, par conséquent, elles sont présentes dans la cellule à une concentration plus ou moins constante, sont appelées constitutives. Ceux-ci comprennent, par exemple, les enzymes glycolytiques. Les voies métaboliques qui fonctionnent avec la participation d'enzymes constitutives sont contrôlées par d'autres actions de régulation, par exemple, l'inhibition allostérique.

De plus, les cellules bactériennes contiennent des enzymes dont la quantité peut varier considérablement en fonction de la composition des nutriments dans l'environnement. Cela est dû au fait que les gènes qui déterminent ces enzymes sont activés ou désactivés selon les besoins. Ils sont appelés inductibles. En l'absence de substrats dans le milieu, ces enzymes sont présentes dans la cellule à l'état de traces. Si une substance servant de substrat pour une certaine enzyme est ajoutée au milieu, une synthèse rapide de cette enzyme se produit dans la cellule, c'est-à-dire qu'une induction de la synthèse enzymatique a lieu. Si le milieu nutritif contient une substance prête à l'emploi qui est le produit final d'une voie de biosynthèse, la synthèse des enzymes de cette voie s'arrête rapidement. Ce phénomène est appelé répression du produit final. Les enzymes dont la synthèse est inhibée par le produit final peuvent être déréprimées, c'est-à-dire que la vitesse de leur synthèse dépassera la normale si la concentration du produit final chute à un niveau très bas. La dérépression de ces enzymes est similaire au phénomène d'induction.

La répression est le produit final. Toutes les voies de biosynthèse sont sous le contrôle du mécanisme de répression du produit final. De même, la formation de la plupart des enzymes anabolisantes est régulée par la répression de leur synthèse. La répression est effectuée par des substances spéciales présentes dans la cellule - répresseurs. Les facteurs modifiant l'activité des répresseurs peuvent être des produits finaux des voies de biosynthèse, ainsi que des intermédiaires de certaines voies cataboliques ou amphiboliques.

La répression peut être coordonnée, c'est-à-dire que la synthèse de chaque enzyme dans une voie donnée est également supprimée par le produit final. Souvent, la synthèse d'enzymes à partir d'une voie est réprimée à des degrés divers. Dans les voies de biosynthèse ramifiées, les mécanismes de répression peuvent être modifiés (ainsi que les mécanismes d'inhibition) afin de mieux réguler plusieurs produits finaux à partir d'un substrat parent commun. La synthèse de nombreuses enzymes dans de telles voies n'est réprimée que lorsque tous les produits finaux agissent ensemble. Si la réaction dans la section commune de la voie ramifiée est catalysée par des isoenzymes, la synthèse de chacune d'elles est sous le contrôle de «son» produit final (voir).

Le mécanisme de répression par le produit final au niveau transcriptionnel a commencé à devenir clair dans les années 1950. Les travaux de F. Jacob et J. Monod y ont largement contribué. Il a été montré qu'en plus des gènes structuraux codant pour la synthèse enzymatique, il existe des gènes régulateurs spéciaux dans le génome bactérien. L'un d'eux est un régulateur de gène (gène R), dont la fonction est de réguler le processus de transcription d'un gène de structure (ou de gènes). Le gène régulateur code pour la synthèse d'une protéine répresseur allostérique spécifique qui possède deux sites de liaison: l'un reconnaît une séquence nucléotidique spécifique dans une région d'ADN appelée opérateur (gène O), l'autre interagit avec un effecteur. Le gène opérateur est situé à côté du (des) gène (s) de structure et sert de site de liaison au répresseur. Contrairement aux gènes opérateurs, les gènes régulateurs sont situés à une certaine distance des gènes structuraux (les produits de gènes réguliers - les répresseurs sont des molécules de protéines diffusant librement).

Souvent, les gènes structuraux appartenant à une voie biochimique sont combinés en un groupe qui, avec l'opérateur, constitue l'unité de transcription et de régulation - l'opéron. Tous les gènes structuraux combinés en un opéron ont un site opérateur situé au bord de l'opéron et la coordination est régulée par un seul répresseur. L'opéron est un système très rationnel et efficace de régulation des voies métaboliques.

Figure: 32. Opéron tryptophane E. coli et le mécanisme de répression par le produit final. UNE - le produit du gène régulateur (R) est une forme inactive du répresseur, incapable de se lier à l'opérateur (O); la région promotrice (P) est ouverte: la transcription des gènes de structure (E, D, C, B, A) se produit. B - en présence d'un corépresseur, il se forme un complexe corépresseur-répresseur actif qui se lie à l'opérateur et ferme le promoteur; aucune transcription n'a lieu (d'après Lehninger, 1974)

Le processus de transcription commence par l'attachement de l'ARN polymérase, qui catalyse la synthèse de l'ARNm, à un morceau spécifique d'ADN appelé promoteur (P). Lorsqu'une molécule de répresseur "repose" sur le site opérateur, elle "ferme" le promoteur, empêchant ainsi la liaison de l'ARN polymérase à celui-ci et le début de la transcription. Chez les procaryotes, cinq gènes codant pour la synthèse des enzymes de la voie du tryptophane forment un opéron (Fig. 32). Le régulateur de gène assure la synthèse d'une protéine allostérique - un répresseur tryptophane qui n'est pas actif à l'état libre. Ce dernier sous cette forme ne se lie pas au site opérateur et ne peut donc pas interférer avec le début de la transcription. Lorsque le produit final de la voie métabolique (tryptophane) s'accumule au-dessus d'un certain niveau, il interagit avec le répresseur et l'active.

Le répresseur activé se lie au site opérateur et supprime la transcription de l'opéron tryptophane. Ainsi, le tryptophane est un corépresseur.

Induction de la synthèse enzymatique. Dans la plupart des cas, la régulation par induction est caractéristique des voies cataboliques, où les substrats de ces voies agissent généralement comme des inducteurs. Un exemple classique d'enzyme inductible est (3-galactosidase E. coli... Il s'est avéré que si les cellules E. coli poussent dans un milieu contenant du glucose, alors ils ne peuvent pas utiliser de lactose. Si de telles cellules sont placées dans un environnement où le lactose est la seule source de carbone, après une certaine période, une synthèse intensive de l'enzyme (3-galactosidase, qui catalyse l'hydrolyse du lactose en D-glucose et D-galactose. E. coli peut désormais utiliser le lactose comme seule source de carbone. Si ensuite les cellules qui poussent sur un milieu contenant du lactose sont transférées dans un milieu contenant du glucose, la synthèse de (3-galactosidase s'arrête.

Etude de l'induction de (3-galactosidase dans E. coli a permis d'établir que la croissance de cellules sur un milieu contenant du lactose ne se produit pas du fait de la sélection de mutants dans lesquels la capacité à utiliser le lactose est une conséquence d'une mutation. Toutes les cellules ont la capacité de synthétiser cette enzyme. Il a également été montré que le processus d'induction n'active pas une enzyme déjà présente dans les cellules (3-galactosidase, mais sa synthèse de novo à partir d'acides aminés.

La synthèse induite d'enzymes dans les micro-organismes a été décrite dans les années 30, mais le mécanisme de ce processus est resté longtemps flou. La synthèse induite d'enzymes sous-tend le phénomène bien connu d'adaptation des organismes à diverses conditions. Les succès obtenus dans le décryptage des mécanismes de régulation du métabolisme cellulaire ont permis d'expliquer la nature de ce phénomène, son mécanisme et son rôle dans la cellule.

Opéron lactose E. coli, composé de trois gènes structuraux, un promoteur et un opérateur, a été le premier système enzymatique sur lequel J. Monod et F. Jacob ont étudié le mécanisme d'induction de la synthèse enzymatique (). En l'absence de lactose, une molécule répressive libre-active se lie à l'opérateur et supprime la transcription des gènes de structure. Lorsque le lactose pénètre dans la cellule, il se lie au répresseur, entraînant la formation d'un complexe inactif du répresseur avec l'inducteur, qui ne peut pas interagir avec l'opérateur et, par conséquent, interférer avec la transcription des gènes structuraux. En conséquence, la synthèse des enzymes du catabolisme du lactose est induite. Lorsque l'inducteur est retiré de la cellule, le répresseur passe à nouveau dans un état libre actif, se lie à l'opérateur, ce qui conduit à la fin de la synthèse des enzymes correspondantes.

Répression catabolique. Outre la répression par le produit final, caractéristique des voies anabolisantes, un type de répression appelé répression catabolique a été décrit, qui consiste en ce que les sources d'énergie rapidement utilisées par la cellule sont capables de supprimer la synthèse d'enzymes d'autres voies cataboliques impliquées dans le métabolisme de sources d'énergie utilisées relativement lentement. La répression catabolique peut être considérée comme l'adaptation de la cellule à utiliser principalement les sources d'énergie les plus facilement disponibles. En présence d'une telle source d'énergie, la consommation d'autres substrats, moins «commodes» pour la cellule, est temporairement suspendue, et les voies de catabolisation de ces substrats sont temporairement désactivées.

Il a déjà été noté ci-dessus que si dans le milieu de culture E. coli contient simultanément du glucose et du lactose, le glucose est utilisé en premier. Malgré la présence d'un inducteur de l'opéron lactose, les enzymes impliquées dans le catabolisme du lactose ne sont pas synthétisées. La transcription des gènes de l'opéron lactose commence lorsque la concentration de glucose dans le milieu devient faible. Ainsi, le glucose interfère avec la synthèse des enzymes de l'opéron lactose.

Comment cela se fait-il? L'étude du mécanisme de la répression catabolique a révélé que ce type de régulation est étroitement lié au niveau intracellulaire d'AMP cyclique (AMPc), qui dans ce processus fonctionne comme un effecteur. Il forme un complexe avec une protéine allostérique, un activateur catabolique inactif à l'état libre. Ce complexe, attaché à un site spécifique sur le promoteur, permet à l'ARN polymérase de se lier au promoteur et d'initier la transcription. La quantité de complexe formé est déterminée par la concentration d'AMPc, qui diminue avec une augmentation de la teneur en glucose dans le milieu. Ainsi, le glucose provoque une modification de la concentration intracellulaire d'AMPc. Ce composé se trouve dans les cellules de tous les procaryotes. Sa seule fonction est réglementaire. L'AMP cyclique est formé à partir d'ATP dans une réaction catalysée par l'adénylate cyclase associée au CPM:

ATP ® cAMP + pyrophosphate.

L'adénylate cyclase est très active si les composants du système de transport du glucose dans la cellule sont phosphorylés. Cela se produit en l'absence de glucose à transporter. Ainsi, l'activité de l'adénylate cyclase augmente avec la diminution de la concentration de glucose dans le milieu. Cette dernière conduit à une augmentation de la formation d'AMPc et, finalement, à l'induction de la synthèse des enzymes du catabolisme du lactose. Au contraire, à forte concentration de glucose dans le milieu, son système de transport est dans un état déphosphorylé, ce qui se traduit par une diminution de l'activité de l'adénylate cyclase et, par conséquent, de la quantité d'AMPc. De cette manière, le glucose par son système de transport régule la concentration d'AMPc dans la cellule. Le catabolisme du glucose étant associé à la formation d'énergie métabolique et à son stockage dans les molécules d'ATP, les pools d'ATP et d'AMPc sont connectés via le glucose dans la cellule: avec une augmentation de la quantité d'ATP, la quantité d'AMPc diminue et vice versa.

Une caractéristique de tous les systèmes enzymatiques sous le contrôle de la répression catabolique est la participation à leur induction d'un complexe universel constitué d'un activateur catabolique protéique et de l'AMPc.

Régulation de diverses voies métaboliques

Les voies de biosynthèse sont principalement régulées par le mécanisme d'inhibition allostérique de la première enzyme et la répression de la synthèse des enzymes de cette voie par le produit final. La régulation des voies biosynthétiques ramifiées est réalisée à l'aide de variantes compliquées des mêmes mécanismes.

Les principaux mécanismes de régulation des voies cataboliques sont l'induction de la synthèse enzymatique et la répression catabolique. Les voies cataboliques dans lesquelles les enzymes constitutives fonctionnent sont largement régulées par des effets allostériques sur l'activité enzymatique. L'une des tâches des voies cataboliques est de fournir de l'énergie à la cellule. Chez la plupart des procaryotes, la capacité à générer de l'énergie dépasse de loin les besoins de la cellule. La quantité d'ATP qui peut être synthétisée à l'aide des enzymes des voies glycolytiques et respiratoires présentes dans les cellules des procaryotes aérobies est bien supérieure à la quantité d'ATP nécessaire à la biosynthèse et au maintien de l'activité vitale. Par conséquent, les cellules doivent être capables de contrôler la consommation de substrats fournisseurs d'énergie et, par conséquent, la production d'énergie cellulaire. Le principe de base du contrôle est simple: l'ATP n'est synthétisé que lorsque cela est nécessaire. En d'autres termes, l'intensité des processus énergétiques chez les procaryotes est régulée par le contenu en ATP intracellulaire.

Les adényl nucléotides sont parmi les effecteurs les plus importants. L'AMP et l'ADP agissent comme des effecteurs positifs, stimulant la vitesse des processus énergétiques et, par conséquent, augmentant la production d'ATP. Au contraire, l'ATP sert d'effecteur négatif, signalant l'excès des processus de production d'ATP par rapport à sa consommation. En raison de la régulation des processus de synthèse et de désintégration de l'ATP dans la cellule, un état d'énergie stationnaire est maintenu, caractérisé par la soi-disant charge énergétique de la cellule:

La valeur de la charge énergétique peut théoriquement aller de 1 (dans la cellule tous les adényl nucléotides sont uniquement sous forme d'ATP) à 0 (la cellule ne contient que de l'AMP). Dans une culture en croissance, la charge énergétique de la cellule est d'environ 0,8. Une diminution de celui-ci indique une détérioration de l'apport énergétique du corps. Lorsque cette valeur tombe en dessous de 0,5, les cellules meurent.

En plus des adényl nucléotides, le système NAD (P) + / NAD (P) -H 2 de coenzymes et l'amplitude du gradient électrochimique transmembranaire des ions hydrogène sous la forme de ses deux composants (Dy pH et D pH) jouent un rôle actif dans la régulation des processus énergétiques. La prédominance de l'interaction allostérique des formes réduites ou oxydées de NAD (F) avec les enzymes de la voie catabolique conduit, respectivement, à une diminution ou une augmentation de leur activité. L'obtention d'une certaine valeur seuil Dm H + sur la membrane de conversion d'énergie sert de certain signal inhibant le flux d'ions hydrogène contre le gradient.

La régulation des processus de transport actif, qui assure l'apport de la grande majorité des substances nécessaires aux procaryotes, intervient au niveau de la synthèse du support et de son fonctionnement. La biosynthèse des composants protéiques de nombreux systèmes de transport est régulée par le type d'induction. Le glucose, dont le système de transport est constitutif chez la plupart des procaryotes, supprime la formation de systèmes de transport d'autres sucres et d'un certain nombre d'acides organiques par répression catabolique. L'exception concerne certains procaryotes aérobies obligatoires, dans lesquels le transport d'acides organiques est constitutif et le système de transport du glucose est induit. Un excès de substrat dans l'environnement peut réprimer la synthèse du système de transport correspondant. Cela est particulièrement vrai pour les acides aminés. Dans ce cas, la régulation du transport est coordonnée avec la régulation de leur métabolisme ultérieur. La régulation du transport par le type de rétroaction négative a également été trouvée, lorsque le substrat accumulé à l'intérieur de la cellule supprime son propre transport depuis l'environnement extérieur. Ainsi, les processus de transport cellulaire sont contrôlés par les mêmes mécanismes que les processus anaboliques et cataboliques intracellulaires.

La production de mutants présentant des perturbations dans le système de régulation du métabolisme cellulaire, conduisant à la sur-synthèse de certains métabolites, est largement utilisée pour obtenir des acides aminés, des vitamines, des polysaccharides et d'autres substances d'importance pratique.

RÉGULATION DES Interactions INTERCellulaires

Les procaryotes synthétisent des substances qui régulent non pas le métabolisme intracellulaire, mais les interactions intercellulaires. Les particularités de ces substances, appelées autorégulateurs, sont leur rejet dans l'environnement, la manifestation d'une activité biologique à très faible concentration (10 –9-10–12 M) et l'effet non pas sur des organismes d'une espèce différente, mais sur d'autres individus (cellules) de la même espèce. Ces substances sont sécrétées par des cellules procaryotes dans des conditions de culture normales et présentent une spécificité stricte d'espèce ou de genre.

Typiquement, la réaction provoquée par un autorégulateur est associée au cycle de vie des procaryotes. Ainsi, l'étape de formation des organes de fructification dans le cycle de vie des myxobactéries (voir Fig. 21) est induite par un autorégulateur. une substance de nature lipidique, sécrétée par les cellules végétatives. Cellules Myxococcus xanthus sécrètent des substances qui provoquent la sporulation de cette espèce lorsque leur concentration dans l'environnement est d'environ 10-10 M. Streptococcus faecalis le processus sexuel est établi. Dans les cellules receveuses, des autorégulateurs spécifiques (régulateurs sexuels ou phéromones) sont synthétisés, sous l'influence desquels les cellules du donneur acquièrent la capacité d'adhérer au receveur. En conséquence, la probabilité d'un couple donneur-receveur augmente.

Vibrio fischeri - un symbiote lumineux commun des poissons de la famille des Monocentudae. L'autorégulateur synthétisé par lui stimule la formation de plusieurs composants du système de luminescence. L'effet est observé à une concentration de l'autorégulateur de 10 nM, ce qui correspond à environ 1 à 2 molécules de ce composé par cellule bactérienne. La concentration optimale est d'environ 200 nM (environ 40 molécules d'autorégulation par cellule).

Plusieurs types d'autorégulateurs qui contrôlent la synthèse et la sporulation des antibiotiques ont été trouvés dans les actinomycètes Streptomyces griseus. Composé cyclique inhabituel induisant des spores identifié dans les sécrétions de cellules cyanobactériennes Cylindrospermum licheniforme.

Ainsi, les organismes procaryotes synthétisent des substances de signalisation chimiques qui régulent divers processus associés aux interactions cellule-cellule dans une population d'une espèce ou même d'une souche. Le site d'action des autorégulateurs est les enzymes cellulaires. Il est à noter que la plupart des régulateurs étudiés sont des substances lipidiques. Cela leur permet de diffuser facilement à travers les membranes cellulaires sans l'aide de systèmes de transport spéciaux. Phéromones S. faecalis - peptides contenant 8 résidus d'acides aminés, le seul acide aminé hydrophile de ces peptides est la sérine. La nature hydrophobe des phéromones peptidiques S. faecalis indique également un éventuel mécanisme non spécifique de leur transfert à travers les membranes cellulaires.

L'identification d'une nouvelle classe de substances - régulateurs de l'activité vitale des procaryotes au niveau intercellulaire - est intéressante car elle permet de considérer ces organismes non seulement comme une population de cellules dispersées, mais indique l'existence d'un niveau supérieur de leur organisation.

M.V. Gusev, L.A. Mineeva 1992-2001
Département de physiologie cellulaire et d'immunologie, Faculté de biologie, Université d'État de Moscou M.V. Lomonosov 2000-2001