Д.Г. Кнорре, С.Д. Мызина - Биологическая химия (1128707), страница 104
Текст из файла (страница 104)
В двух предыдущих главах рассматривались многие системы биохимических процессов, образующие сложную сеть превращений веществ в живых организмах. Несмотря на огромные успехи биохимии в этой области, даже сама'сеть биохимических процессов еще далека от полного ее установления. Тем более это относится к системам регуляторных воздействий на эту сеть и ее отдельные фрагменты. К тому же эта проблема тесно переплетена с изучением пространственной организации биохимических процессов. Вместе взятые, эти два тесно взаимосвязанных вопроса далеко выходят за рамки биохимии и, как уже сказано выше, попадают в сферу клеточной биологии и физиологии. Поэтому настоящая глава не претендует на их систематическое изложение, в ней описаны и проиллюстрированы конкретными примерами лишь установленные на сегодняшний день некоторые общие биохимические принципы, лежащие в основе процессов регуляции, и фрагментарно затронуты отдельные, наиболее простые вопросы пространственной организации биохимических процессов.
10.1. СТЕХИОМЕТРИЧЕСКАЯ И АПЛОСТЕРИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ СИСТЕМ БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Некоторые предпосылки для регуляции заложены в самой структуре сети биохимических превращений. Многие процессы в зависимости от конкретных условий могут реализоваться в любом из двух противоположных направлений в результате существования отдельных равновесных стадий или систем равновесных превращений.
Примеры этого уже приводились в предыдущих главах. Например, вследствие равновесия между двумя триозофосфатами, быстрое установление которого катализируется триозофосфат изомеразой, в окислительных условиях, при избытке пай' и интенсивном окислении 3-фосфоглицеринового альдегида фермент направляет процесс в сторону превращения дигидроксиацетонфосфата в 3-фосфоглицериновый альдегид. В восстановительных условиях, т.е. при избытке йАР.Н, и особенно в присутствии достаточного количества ацилкофермента А с длинными ацильными радикалами, тот же фермент будет способствовать преимущественному превращению альдегида в кетон, который будет восстанавливаться до глицерин-3-фосфата с последующим превращением последнего в фосфатидатисходное соединение для синтеза фосфолипидов Такой тип регуляции биохимических превращений, при котором преимущественное направление процесса определяется соотношением концентраций компонентов, можно назвать стехиометрической регуляцией.
В качестве еще одного примера регуляции этого типа можно привести превращения, протекающие при работе мышц. Источником АТФ, необходимой для интенсивной мышечной деятельности, является превращение глюкозы. На первой фазе глюкоза в результате цепи гликолитических превращений образует пируват. Однако дальнейшее окислительное превращение пирувата требует адекватной доставки в мышцы кислорода Если создается дефицит последнего, то в мышечной ткани накапливаются пируват и восстановленный никотинамидный кофермент. В результате действия мышечной лактат дегидрогеназы происходит их превращение в йа0' и лактат, что обеспечивает регенерацию йАП', необходимого для дальнейшего течения гликолиза, и образование некоторого количества АТФ в результате фосфорилирования АДФ дифосфоглицератом и фосфоенолпируватом.
В мышцах при этом начинает накапливаться молочная кислота. После окончания периода интенсивной мышечной деятельности образование йаВ.Н существенно замедляется и доставка кислорода в мышцы обеспечивает необходимый масштаб функционирования цепи переноса электронов, основная часть баем Н переходит в йаР' и та же лактат дегидрогеназа обеспечивает постепенное превра- ' щение накопившегося лактата в пируват, который через стадию окислительного декарбоксилирования поступает на конечное сжигание в цикле трикарбоновых кислот. Интересный пример регуляции, основанной на соотношении концентраций метаболитов, представляют собой завершающие стадии биосинтеза пуриновых нуклеотидов.
В результате формирования пуринового гетероцикла первоначально образуется инозин-5'-фосфат Я 9.6), который может превращаться двумя путями (см. Рис.122) — с образованием аденозин-5'-монофосфата нли гуанозин-5'-монофосфата. Как видно из приведенной схеиы, на обоих путях необходимо участие в качестве макроэрга нуклеозид-б '-трифосфата. При этом на пути к образованию АМФ в роли макроэрга выступает ГТФ, а на пути к образованию ГМФ вЂ” АТФ. При оптимальном соотношении АТФ и ГТФ будут реализовываться оба процесса. Однако если их соотношение резко отличается от оптимального в пользу ГТФ, то процесс преимущественно пойдет в сторону образования адениловых нуклеотидов Если же соотношение будет резко преимущественным в пользу АТФ, то в основном будут синтезироваться гуаниловые нуклеотиды.
Таким образом, схема в этом узле организована так, что стимулируется преимущественэюе превращение инозин-Ь -монофосфата в тот из двух пуриновых нуклеотидов, который оказывается в недостатке. Как уже отмечалось в з 6.3, важным путем воздействия на активность ферментов является алластерическая ресуляция, Значение такой регуляции было проде- особое положение в цепи превращений, происходящих в ходе гликолиза, поскольку катализирует практически необратимую стадию в этой цепи. Поэтому выключение работы этого фермента при благополучном с точки зрения биоэнергетики состоянии клетки особенно существенно для рационального использования ресурсов гексоз.
В связи с этим фосфофруктокиназа имеет два центра связывания АТФ вЂ” один для АТФ как субстрата, другой — для АТФ как аллостерического ингибитора. Это означает, что скорость образования фруктово-!,6-дифосфата как функция концентрации АТФ проходит через максимум. Аллостерическим ингибитором фермента является цитрат, достаточно высокая концентрация которого свидетельствует об эффективной работе цикла трикарбоновых кислот, возможной лишь при обеспеченности систем йА0', т. е, при интенсивной работе цепи переноса электронов и, следовательно, при высоком уровне окислительного фосфорилирования.
Наоборот, АМФ и АДФ, высокий уровень которых является сигналом о дефиците энергии, являются аллостерическими активаторами фермента. Процессом, противоположным синтезу фруктово-1,6-дифосфата, является его гидролиз, катализируемый фруктозодифосфатазой, Этот процесс является одной из стадий глюконеогенеза, который запирает процесс в целом, выводя дифосфат из равновесия с триозофосфатами и отрезая тем самым гексозофосфатам путь назад, в сторону окислительной деструкции, Для этого фермента АМФ является аллостерическим ингибитором, сигнализируя об энергетическом дефиците, в условиях которого запасание гексоз и полисахаридов нецелесообразно. Наличие у двух рассмотренных работающих в противоположных направлениях ферментов общего аллостерического эффектора, играющего в одном случае роль активатора, а в другом — ингибитора, имеет глубокий смысл.
Этим исключается одновременная интенсивная работа обоих ферментов, которая, как следует из стехиометрических уравнений катализируемых ими реакций, свелась бы к непроизводительному гидролизу АТФ. Еще один довольно детально изученный пример аллостерической регуляции— фермент аспартат карбамоилтрансфераза, катализирующий первую стадию биосинтеза пиримндиновых нуклеотидов (см.э 9.6). Этот фермент состоит из двенадцати субъединиц — шести идентичных каталитических и шести идентичных регуляторных.
Процесс ингибируется цитидин-5'-трифосфатом, который является конечным продуктом цепи превращений, Наличие достаточного количества ЦТФ свидетельствует об обеспеченности биосинтеза РНК и других требующих участия ЦТФ процессов и делает нецелесообразным дальнейшую наработку исходного соединения.
Аллостерическая регуляция может использоваться не только для включения и выключения работы ферментов, но и для изменения их специфичности. Это видно на примере фермента рибонуклеозиддифосфат редуктазы, катализирующей превращение всех четырех рибонуклеозиддифосфатов в соответствующие дезоксирибонуклеотиды, которые после дополнительного фосфорилирования поступают в синтез ДНК. Фермент имеет несколько регуляторных центров Один из них, специфичный к аденнловым нуклеотидам, регулирует общую скорость каталитических превращений. В этом центре АТФ работаег как аллостеричоский активатор, а дАТФ вЂ” как аллостерический ингибитор. Но, кроме того, у фермента имеются пентоы. чпоавляюшие его спеии~Ьичностью по отношению к разным нуклеотидам. При этом связывание АТФ направляет работу фермента в сторону преимущественного восстановления пиримидиновых нуклеотидов, связывание дТТФ вЂ” в сторону преимущественного восстановления ГДФ, связывание дГТФ— в сторону преимущественного восстановления АДФ.
Таким способом регулируется оптимальное соотношение между дезоксинуклеозидтрифосфатами, используемыми при репликации и репарации. 10.2. ХИМИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ КАК ПУТЬ РЕГУЛЯЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ АКГИВНОСТИ БЕЛКОВ Описанные в Э 10.1 пути регуляции ключевых ферментов систем биохимических процессов являются самыми быстродействующими. Изменение концентрации эллостерического эффектора ведет к изменению количества фермента, находящегося в комплексе с эффектором, за малые доли секунды, поскольку время установления равновесия для комплексов фермент — эффектор весьма мало.
Наряду с этим в живой природе широко используется другой, не столь оперативный способ регуляции активности ферментов, основанный на ковалентном присоединении к определенным точкам фермента специфичных групп, изменяющих его каталитическую активность. Ковалентная модификация используется и для регуляции активности белков, выполняющих функции, отличные от каталитических. Среди различных путей модификации ферментов в живых организмах, имеющих регуляторное значение, наиболее широко известно и наиболее обстоятельно изучено фосфорилирование гидроксигрупп ферментов, в первую очередь гндроксигрупп остатков серина и треонина.
Фосфорилирование происходит путем переноса г-фосфата молекулы АТФ на гидроксигруппу и катализируется специальными ферментами, известными под общим названием аросаеиннинаэ. В реакциях, катализируемых протеннкиназами, участвуют два белка — один в качестве катализатора, а другой, в ряде случаев тоже фермент, в качестве фосфорилируемого субстрата. Типичным и весьма обстоятельно изученным вримером регуляции активности фермента путем его фосфорилировання является фосфоролиз гликогена. Эта реакция, каталиэируемая ферментом фосфорилазой (см. э 4.2), состоит в переносе концевого гликозильного остатка от молекулы гликогена на ортофосфат и имеет ключевое значение для мобилизации запасов гликогена с целью производства энергии. Очевидно, что она должна включаться при создании физиологической ситуации, требующей такой мобилизации, т.е.
в том случае, когда содержание глюкозы в кровеносной системе оказывается недостаточным для обеспечения биоэнергетических потребностей организма в этой ситуации. Частично регуляция работы фосфорилазы осуществляется с помощью АМФ, который является аллостерическим активатором фермента. Однако основной регуляторный механизм основан на процессе фосфорилирования. Наиболее обстоятельно он изучен на примере фермента из скелетных мышц кролика. В активной форме, катализирующей реакпию образования глюкозо-1-фосфата (эту форму часто называют фосфорилазой а), фермент представляет собой тетрамер, состоящий из четырех идентичных субъединиц. У всех субъединиц фосфорилирован остаток серина Бег-14.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
