Biokhimia_cheloveka_Marri_tom_1 (1123306), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Однако мы должны различать понятия регуляции по принципу обратной связи — общий термин, не содержащий никаких указаний на механизм„— и иигибироваиия по принципу обратной связи---механизм регуляции многих ферментов бактерий и млекопитающих путем ингибирования. Например, поступающий с пищей холестерол подавляет свой собственный синтез из ацетата в тканях млекопитающих.
Этот тип регуляции, однако, не направлен непосредственно на ингибирование первого фермента пути бносинтеза холестерола. Ингибирование затрагивает один из ферментов (НМОСоА-редуктазу); функционирующий на ранних стадиях биосинтеза механизм включает подавление холестеролом или его метаболитами экспрессии генов, кодирующих образование НМО-СоА-редуктазы. Холестерол, непосредственно добавленный в систему с НМО-СоА-редуктазой, никакого действия на ес каталитическую активность не оказывает. КОВАЛЕНТНАЯ МОДИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ Общие принципы Обратимое изменение каталитической активности ферментов может осуществляться путем кова- Ферменты: регуляция активности Епг Атр АПР итР 3 Р-Епг ЙМР-Епа Рнс. 10.9.
Регуляция ферментатнвпой активности путем ковалентной модификации. Слева — фосфорилирование, справа — присоединение нуклеотида. В обоих процессахнуклеозидтрнфосфатом (Ь(ТР) обычно слузкит АТР. Р, н,о Рве. 10.10. Ковалентная модификация, регулирующая работу фермента и осуществляемая путем фосфорилированнн ~дефосфорилирования остатка серина. лентного присоединения фосфатной группы (преобладает у млекопитающих) нли нуклеотида (преобладает у бактерий). Ферменты, подверженные ковалентной модификации, которая сопровождается изменением их активности, называют обратимо моднфицируемыми ферментами (рис.
10.9). Обратимо модифицируемые ферменты могут находиться в двух состояниях, одно нз которых характеризуется высокой, а другое — низкой каталитической эффективностью. В зависимости от конкретного случая более активным катализатором может быть либо фосфо-, либо дефосфофермент (табл. 10.3). Таблица 10.3. Некоторые ферменты млекопитающих, ката- литическая активность которых в фосфорилироваином и дефосфорнлироваином состояниях различна (Š— дефос- фофермент, ЕР— фосфофермент) Фермент Состояние активности ннзкая высокая Обычно фосфорнлируется специфический остаток серина и образуется остаток О-фосфосернна; реже фосфорилируется остаток тирозина с образованием остатка О-фосфотнрозина.
Хотя обратимо модифицируемый фермент может содержать много остатков серина или тирозина, фосфорилнрование происходит в высшей степени избирательно и затрагивает лишь небольшое число (1 — 3) остатков. Эти участки, по всей вероятности, не являются частью каталитического центра; мы, таким образом, имеем еще один пример аллостерическнх эффектов. Энергетика Реакции, представленные на рис. 10.10, подобны реакциям превращения глюкозы в глюкозо- 6-фосфат или фруктозо-6-фосфата в фруктозо- 1,6-бисфосфат (см.
гл. 18). При фосфорилировании и последующем дефосфорилировании 1 моля субстрата (фермента или сахара) происходит гидролиз 1 моля АТР. Активность киназ (катализирующих реакции 1 и 3) и фосфатаз (катализирующих реакции 2 и 4) должна в свою очередь регулироваться — в противном случае их совместное действие будет приводить к катализу неконтролируемого гидролиза АТР. 1. Глюкоза + АТР— АРР + Глюкозо-6-Р 2. Н,О + Глюкозо-6-Р -+ Р, + Глюкоза Модифицирующие (конвертирующие) ферменты Фосфорилирование н дефосфорилирование катализируется протеинкиназами и протеинфосфатазами соответственно (рис.
10.10). В некоторых случаях конвертирующие ферментысами являются обратимо модифицируемыми ферментами (табл. 10.3). Так, существуют киназы и фосфатазы протеинкиназы, катализирующие модификацию конвертирующих белков (протеинкиназ). Данные о принадлежности к обратимо модифицируемым ферментам протеинфосфатаз менее убедительны, хотя их активность подвержена регуляции. Активность протеннкиназ и протеинфосфатаз находится под гормональным контролем и регулируется также нервной системой, однако детали механизма этой регуляции неясны.
НгО+ АТР + АВР+ Р 3. Епх-Бег-ОН + АТР— АРР + Епе-Бег-О-Р 4. Н,О + Еп-Бег-О-Р— Р, + Епх-Бег-ОН Н,О+ АТР~ АРР+ Р, Участки фосфорилироваиии Ацстнл-Со А-карбокснлаза Гликогенсннтаза Пнрунатлегнлрогсназа НМ6-Со А-рсдуктаза Глнкогснфосфорнлаза Цнтратлиаза Пируватдсгилрогсназа Киназа фосфорнлазы Ь Кнназа НМС-СоА-редуктазы ЕР ЕР ЕР ЕР Е Е Е Е Е Е Е Е Е ЕР ЕР ЕР ЕР ЕР !10 Х'Дава ЕО Аналогия е ингнбированием по принципу обратной связи Регуляция ферментативной активности путем фосфорилирования н дефосфорилирования в известной мере аналогична регуляции по принципу обратной связи. Оба типа регуляции обеспечивают быстрое изменение потока метаболитов в ответ на тот илн иной физиологический сигнал; и в том н в другом случае экспрессия генов не затрагивается. При обоих типах регуляции действие направлено на ферменты начальных этапов многостадийной цепи метаболических реакций, чаще всего принадлежащих одному пути биосинтеза, причем не на каталитические, а на аллостерические центры.
Однако ингибирование по принципу обратной связи направлено избирательно на один фермент и не зависит от гормональной или нервной регуляции. Напротив, регуляция ферментов млекопитающих путем фосфорилировання— дефосфорилирования распространяется на несколько белков, осуществляется при участии АТР или других нуклеозидтрифосфатов и находится под прямым нервным и гормональным контролем.
ЛИТКРАТУРА битаа К. А., МсЕ.еап Р., бгеепЬаит А. Е. Сотраг!тептйоп !и ге!абоп 1о теваЬо!!с соп1го1 ш Ыиег, Евваув ВюсЬет., 1971, 7, 39. Кип Е., бгЕзоЕЕа Я. ВюсЬет!са! Керйа!огу МесЬап1втв !и Еп1сагуо1!с Се11в, Ъг'!1еу, 1972. ХевеЕег Е.,Е., Сгеегнагй Р. Рго!еш рЬоврЬогу1айоп ш 1Ье Ьга!и, Хатге, 1983, 30$, 583. Е9еивЬоЬпе Е. А., Ееиигг С. Керйа!!оп !и МееаЬо1!вт, %!1еу, 1973. ЯМйейе Я. Т., ЕзауЕе Ез.
Соп1го1 ог еыуте 1еие!в 1и апппа1 бввпев, Аппп. Кеч. ВюсЬет., 1970, 39, 929. ЯВЬ ЕЕпя Т. Е!. Ио!е о1 Ьоппопев апд рго!е!и рЬоврЬогу!а1!оп !и те1аЬо11с ге8п1а!!оп, Гей. Ргос., 1982, 41, 2615. ЮоЕв А., Магсо Е1. Сопсеп1гайопв оГ те!аЬо1йев апд Ь1пй1п8 я!ев: 1тр1ка1!опв ш те1аЬойс ге8п!абоп, Сап. Тор.
Се11. Кеао1., 1970, 2, 227. ЕеапЬигу.Е.В. ее а1. ~ейв.Е ТЬе Ме!аЬо1!с Вав!в ог 1пЬег!!ей ГМ- веаве, 51Ь ед., Мс!Зги-Н!П, 1983. ИиЬагяег О. Е. Апйпо асЫ Ь!овупвЬев!в апй Ыв герйайоп, Аппп. Кем. ВюсЬет, 1978, 47, 533. НгеЬег 6. !'есЦ Ас1чапсев 1и Епхуте Ке8и!а!!оп, Уо1в. 1 — 9, Регаапюп Ргевв, 1963 — 1987. Раздел П Биоэнергетика и метаболизм углеводов и липидов Глава 11 Биоэнергетика Пшпер Мейес ВВЕДЕНИЕ БИОМЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ Лб= ЛН вЂ” ТАЗ, Биоэнергетика, нли биохимическая термодинамика, занимается изучением энергетических превращений, сопровождающих биохимические реакции. Ее основополагающие принципы позволяют объяснить, почему протекают одни реакции и не осуществляются другие. Небиологические системы могут совершать работу за счет тепловой энергии, биологические же системы функционируют в изотермическом режиме и для осуществления процессов жюнедеятельности используют химическую энергию.
Необходимая для функционирования организма животного энергия должна поступать к нему в виде подходящего атоплива». Выяснение вопроса о том, каким образом организм извлекает эту энергию из пищевых продуктов, является основой для понимания процессов нормального питания и метаболюма. Истощение энергетических ресурсов приводит к голодной смерти, а некоторые формы нарушения питания обусловлены энергетическим дисбалансом (пеллагра, кахексия). Скорость потребления энергии, характеризуемая скоростью метаболических процессов, регулируется гормонами щитовидной железы.
Запасание в организме избыточной энергии в форме питательных веществ приводит к ожирению, весьма распространенному в западных странах. СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ И ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ Изменение свободной энергии ~66) — это та часть изменения внутренней энергии системы, которая может превращаться в работу; иначе говоря, зто полезная энергия — в химических системах ее называют хпмическим потенциалом. Первый закон термодинамики гласит: внутренияп энергия системы вместе с ее окружением остается постопипой. Это одна из формулировок закона сохранения энергии. Она утверждает, что при любых изменениях системы внутренняя энергия не утрачивается и не приобретается.
Вместе с тем внутри рассматриваемой системы энергия может переходить от одной ее части к другой или превращаться из одной формы в другую. Например, химическая энергия может переходить в тепло, превращаться в электрическую энергию, энергию излучения или в механическую энергию. Второй закон термодинамики гласит: энтропия системы при самопроизвольных пропессак возрастает. Энтроппп служит мерой неупорядоченности, хаотичности системы и достигает максимума, когда система приходит в истинное равновесие. При постоянных температуре и давлении соотношение между изменением свободной энергии системы (Лб) и изменением энтропии (Л 5) представляется следующим выражением, которое объединяет оба закона термодинамики: где Л Н вЂ” изменение зитальппи ~теплоты), Т— абсолютная температура. В условиях, при которых протекают биохимические реакции, ЛН приблизительно равно ЛЕ— изменению внутренней энергии системы в результате реакции.
В этих условиях приведенное выше выражение можно записать в виде Лб= ЬŠ— ТЛЯ. Если Л 6 отрицательно, то реакция протекает самопроизвольно и сопровождается уменьшением свободной энергии. Такие реакции называют зкзергопи- 112 Глава П ческими. Если к тому же Л 6 велико по абсолютной величине, то реакция идет практически до конца и ее можно рассматривать как необратимую.
Если же Л 6 положительно, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне; такая реакция называется зндергонической. Если к тому же Ь6 велико, то система является устойчивой и реакция в этом случае практически не осуществляется. При А6 равном нулю система находится в равновесии. При концентрациях реагентов 1,0 моль/л изменение свободной энергии обозначают как Ь 6'— изменение стандартной свободной энергии. Для биохимических реакций стандартным считается состояние при рН 7,0. Изменение стандартной свободной энергии в таком стандартном состоянии обозначается как Л6". Изменение стандартной свободной энергии можно найти, зная константу равновесия К'„: Л б"' = — 2,303 ЯТ!оя К', где й — газовая постоянная, Т вЂ” абсолютная температура (см.
с. 84). Важно отметить. что Ь6 может быть больше или меныне з 6 в зависимости от концентрации реактантов. Следует ясно понимать, что в присутствии ферментов биохимические реакции лишь быстрее достигают равновесия, но конечные равновесные концентрации реактаитов цри этом не изменяются. СОПРЯЖЕНИЕ ЭНДЕРГОНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С ЭКЗЕРГОНИЧЕСКИМИ Жизненно важные процессы — реакции синтеза, мышечное сокращение, проведение нервного импульса, активный транспорт — получают энергию путем химического сопряжения с окислительными реакциями. Схематцчески такое сопряжение иллюстрирует 'рис.
! 1.1. Преврашение метаболита А в метаболит В сопровождается выделением свободной энергии. Оно сопряжено с другой реакцией — превращением метаболита С в метаболит О, которое может происходить лишь при поступлении свободной энергии. В случае когда энергия, выделяющаяся при распаде одного соединения, используется (не в форме теплоты) для синтеза другого соединения, соответствующие реакции уже нельзя характеризовать химическими терминами «экзотермическне» и «эндотермические». Правильнее называть их жзергоническими и эндергоничеекимн реакциями; эти термины показывают, что реакция сопровождается уменьшением свободной энергии или ее увеличением независимо от формы, в которой передается энергия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
