Том 1 (1128365), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Одновременная регуляция синтезаферментов, кодируемых опероном, осуществляется путем взаимодействия генарегулятора с геном-оператором. Схема такой регуляции изображена на рис. 325. Белки-репрессоры могут связываться с некоторыми низкомолекулярнымивеществами-индукторами, в результате чего последние оказываютсянеспособными образовывать комплекс со своими генами-операторами. Такимобразом, индуктор устраняет репрессию структурных генов, включая тем самымсинтез ферментов, который до этого был подавлен.
Такая схема, предложеннаяФрансуа Жакобом и Жаком Моно в 1961 г.,Рис. 3.25. Оперонная модель регуляции синтеза ферментов путем регуляции экспрессии генов. (Goldsby,1967.)67Рис. 3.26. Кинетика индукции синтеза фермента после добавления соответствующего субстрата.(Dowben, 1971.)объясняет явление ферментативной индукции, согласно которому синтез рядаферментов начинается в клетке лишь после того, как там появляется субстрат(или его предшественник) для соответствующего фермента (рис.
3-26). Этотпроцесс иллюстрирует экономичность метаболизма, так как индуцибельныеферменты синтезируются лишь по мере возникновения потребности в них.После появления субстрата в клетке он связывается с репрессором, в результатечего прекращается репрессия (т.е. становится возможной транскрипция)соответствующего оперона. Таким образом, сегменты ДНК, которые до этогонаходились в неактивной форме, теперь могут служить матрицей для синтезааминокислотных последовательностей ферментов.Транскрипцияструктурныхгенов(и,следовательно,синтезсоответствующих ферментов) в некоторых случаях регулируется такжеконечным продуктом последовательности анаболических (биосинтетических)реакций.
При этом репрессор, синтезированный с матрицы гена-регулятора,находится в неактивном состоянии до тех пор, пока не свяжется с малойорганическоймолекулой- корепрессором, продуцируемым в концеанаболической цепи превращений (рис. 3-27). Комплекс репрессора скорепрессором связывается с оператором, что не позволяет начатьтранскрипцию структурного гена, кодирующего фермент, который действует наранней стадии соответствующего биосинтетического пути. Таким способомконтролируется весь этот путь и скорость выхода его конечного продукта. Еслипо какой-то причине конечный продукт начинает накапливаться, например изза замедления его включения в клеточные структуры, то снижается скоростьреакций на всех этапах этого пути из-заРис.
3.27.Ингибирующее действие конечного продукта на синтез фермента. А. Цепьотрицательной обратной связи, благодаря которой синтез Е 1 подавляется принакоплении корепрессора на одном из последующих этапов в цепипоследовательных реакций. Корепрессор связывается с молекулой репрессора, иобразовавшийся комплекс инактивирует ген, кодирующий Е 1 Б. Уменьшениесодержания Е1 по мере накопления корепрессора.снижения скорости синтеза соответствующего фермента.Генетические регуляторные механизмы чрезвычайно важны для развитияорганизма.
Все соматические клетки данного животного содержат идентичнуюинформацию, закодированную в структуре их ДНК, однако наборы разныхферментов, кодируемых этим генетическим материалом, в клетках разныхтканей существенно неодинаковы.
Это означает, что в любой данной ткани однигены "включены", а другие "выключены". Такая ситуация можетреализовываться частично через механизмы ферментативной индукции ирепрессии в ответ на различия в локальных химических условиях в разныхклетках развивающегося организма.6867 :: 68 :: Содержание68 :: 69 :: Содержание3.6.2. Метаболическое ингибированиепо типу обратной связиНекоторые метаболические пути в организме обладают внутренним механизмомпрямой (т.е. негенетической) саморегуляции (рис. 3-28). В такой цепипоследовательных реакций один из ферментов, катализирующих эти реакции(как правило, первую из них), является регуляторным (аллостерическим)ферментом, т.е. его активность зависит от концентрации конечного продуктацепи.
Данный тип регуляции обычно основан на ингибировании этого ферментапутем того или иного взаимодействия его с конечным продуктом. При такомингибировании68Рис. 3.28. Аллостерическое ингибирование ферментативного катализа конечным продуктом. В отличиеот механизма, изображенного на рис. 3.27, конечный продукт в данном случае непосредственно влияетпо типу отрицательной обратной связи на скорость катализа первой реакции в даннойпоследовательности, а не на генетические механизмы регуляции.конечным продуктом скорость синтеза последнего падает по мере егонакопления в результате замедления всех реакций в данной последовательности.Установлено, что при ингибировании по типу обратной связи конечный продуктвзаимодействует с участком молекулы фермента вне каталитической зоныактивного центра.
Таким образом, конечный продукт играет рольотрицательногоэффектора,снижающегоактивностьферментапоаллостерическому механизму регуляции. Большинство регуляторных ферментовкатализирует реакции, которые фактически необратимы в тех условиях, какиесуществуют в клетке, и потому, вообще говоря, не подчиняются законудействующих масс, согласно которому реакция должна замедляться по меренакопления продукта.6968 :: 69 :: Содержание69 :: Содержание3.6.3. Активация ферментовКак мы уже говорили, часть ферментов нуждается в кофакторах; это дает кдетке еще один способ ре гуляции скорости биохимических реакций.
Свободнаяконцентрация ряда ионов внутри клетки зависит от их диффузии и активноготранспорта через мембраны, которые отделяют содержимое клетки от ееокружения и формируют внутриклеточные отсеки (компартменты). Регулируяпоступление ионов-кофакторов, клетка может регулировать концентрацию этихионов и тем самым-активность некоторых ферментов.Важным и распространенным регуляторным кофактором является ионкальция, концентрация которого внутри клеток значительно меньшеконцентраций таких неорганических ионов, как Mg 2+, Na+ , К+ и Сl. Изменениевнутриклеточной концентрации Са 2+ играет важную роль в осуществлениимногих физиологических и биохимических процессов.
Особая роль кальция какуниверсального внутриклеточного посредника и регуляторного агента тесносвязана с тем фактом, что его концентрация в цитозоле (неструктурированнаяжидкая часть цитоплазмы) крайне низка (менее 10-6 М). Незначительныеколебания в величине суммарного потока Са 2+ через клеточную мембрану илимембраны внутриклеточных органелл могут, таким образом, вызыватьсущественные, вплоть до 100-кратного, колебания концентрации свободныхионов Са2+ внутри клетки.Каким образом Са2+ и другие внутриклеточные агенты могут влиять напроисходящие в клетке события? Ответ здесь не однозначен, посколькубиохимическая регуляция может осуществляться несколькими способами. Рядферментов подчиняется аллостерической регуляции.
В этом случае ион типаСа2+ , конечный продукт метаболической последовательности реакций илиспецифическая регуляторная молекула могут связываться с определеннымучастком на поверхности фермента, деформируя его третичную структуру, иликонформацию, и тем самым влияя на каталитическую эффективность активногоцентра, расположенного в другой части молекулы фермента.6969 :: Содержание69 :: 70 :: 71 :: 72 :: Содержание3.7. Образование АТР в процессеметаболизмаДля большей наглядности обратимся вновь к аналогии между животными имашиной, которой мы воспользовались в начале этой главы.
Легко заметить,что, поскольку и животное, и автомобиль непрерывно расходуют энергию, имобоим приходится периодически возобновлять запасы химического топлива,чтобы обеспечить энергией свою работу. Однако они отличаются друг от другапо способу использования этого топлива по крайней мере в одном, оченьважном, отношении.
В автомобильном двигателе молекулы органическоготоплива, входящие в состав бензина, окисляются (в идеальном случае) до СО 2 иН2О одномоментно в процессе, имеющем взрывной характер. Тепло,выделившееся при быстром окислении, вызывает скачкообразное повышениедавления газов в рабочем цилиндре.
Таким путем химическая энергия топливапреобразуется в механическую (кинетическую) энергию. Это преобразованиеобусловлено значительным повышением температуры при сгорании бензина,так как химическая энергия бензина преобразуется непосредственно в тепло, атепло можно использовать для совершения работы только в том случае, еслимежду какими-либо двумя частями машины имеется разность температуры идавления.Поскольку живые системы способны выдерживать лишь небольшиеперепады температуры и давления, тепло, выделившееся при простом одноэтапном сгорании топлива, использовалось бы с очень низким КПД, непозволяющим удовлетворить энергетические потребности живой системы.Поэтому в процессе эволюции в клетках были созданы метаболическиемеханизмы ступенчатого преобразования химической энергии в цепидискретных реакций.
Утилизация энергии, заключенной в питательных69веществах, для совершения полезной работы осуществляется через образованиепромежуточных соединений со все более низким содержанием энергии. Накаждом экзоэргическом этапе какая-то часть химической энергии рассеиваетсяв виде тепла, а другая часть передается в виде химической энергии продуктамреакции. Химическая энергия, запасенная в структуре промежуточныхсоединений, передается далее молекулам АТР-высокоэнергетическомупромежуточномувеществуширокогоприменения-идругимвысокоэнергетическим промежуточным продуктам, которые обеспечиваютхимической энергией множество самых разных процессов, протекающих вклетке (рис.
3-29).Химическая энергия извлекается главным образом из трех классовпоступающих с пищей веществ: углеводов, липидов и белков. Изпищеварительного тракта они попадают в кровь обычно уже в видесоответственно пяти- или шестиуглеродных Сахаров, жирных кислот иаминокислот (рис. 3-30). Далее эти небольшие молекулы поступают в ткани иклетки животного, где они могут: 1) немедленно расщепляться на более мелкиемолекулы для извлечения из них химической энергии или-послесоответствующих модификаций-для построения из них других молекул; 2)участвовать в образовании более крупных молекул, например полисахаридов(скажем, гликогена), жиров или белков. За редкими исключениями, впрочем, иэти молекулы будут в конечном счете расщеплены и удалены из организма ввиде СО2, Н2О и мочевины.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
