Том 1 (1129743), страница 56
Текст из файла (страница 56)
2.79). Пируватдегидрогеназа служит примером крупного мультиферментного комплекса, в которомпромежуточные продукты реакции непосредственно передаются от одного фермента к другому.то она зависит от концентрации и самого фермента, и его субстрата. Если нужно,чтобы некоторая последовательность реакций происходила чрезвычайно быстро, токаждый промежуточный продукт метаболизма и участвующий в реакциях ферментдолжны присутствовать в высокой концентрации. Однако, ввиду огромного числаразличных реакций, выполняемых клеткой, существуют пределы концентраций,которые реально могут быть достигнуты. Фактически большинство метаболитовприсутствует в микромолярных (10–6 моль/литр) концентрациях, а концентрациибольшинства ферментов намного ниже.
Как же при таком раскладе возможно поддерживать очень быстрые скорости метаболических реакций?Ответ кроется в пространственной организации компонентов клетки. Клеткаспособна увеличивать скорости реакций, не повышая концентрации субстратов,за счет сведения различных ферментов, участвующих в последовательности реакций, воедино и образования из них крупного белкового ансамбля, известного подназванием мультиферментного комплекса (рис.
3.55). Поскольку это позволяетпередавать продукт фермента А непосредственно ферменту B и так далее, интенсивность диффузии уже не должна ограничивать скорость реакции, даже когдаконцентрации субстратов в клетке в целом очень низки. Поэтому не должен вызывать удивления тот факт, что такие ферментные комплексы довольно распространены и есть почти во всех «закоулках» метаболических путей, включая ключевыегенетические процессы синтеза ДНК, РНК и белка. Фактически лишь немногиеферменты в ядерных клетках свободно диффундируют в растворе; вместо этого,большинство, кажется, выковало в кузнице эволюции такие участки связывания,благодаря которым они группируются с другими белками родственной функции вопределенных областях клетки, увеличивая тем самым скорость и эффективностькатализируемых ими реакций.Эукариотические клетки располагают еще одним способом повышения скорости метаболических реакций — использование систем внутриклеточных мембран.Эти мембраны могут заключать определенные субстраты и ферменты, которыевоздействуют на них, в одну и ту же обособленную мембраной полость, такую какэндоплазматический ретикулум или ядро клетки.
Если, например, некоторая полостьзанимает в целом 10 % от общего объема клетки, то концентрация реагентов в этой288Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 3.56. Торможение по типу обратной связи на отдельновзятом пути биосинтеза. Конечный продукт Z ингибируетпервый фермент, который является уникальным для его синтеза, и тем самым управляет уровнем своей концентрации вклетке. Это пример отрицательной регуляции.полости будет увеличена в 10 раз по сравнениюс концентрацией этих же молекул в клетке с темже числом молекул фермента и субстрата, но без«распределения» по полостям.
Таким вот образомреакции, ограниченные скоростью диффузии,могут быть ускорены в 10 раз.3.2.15. Каталитическое действие ферментов регулируется самой клеткойЖивая клетка включает в себя тысячи ферментов, многие из которых работаютодновременно и в общем малом объеме цитозоля. Своим каталитическим действиемэти ферменты создают сложную сеть метаболических путей, каждый из которыхсостоит из цепочек химических реакций, в которых продукт одного фермента становится субстратом следующего.
В таком лабиринте путей есть много точек ветвления(узлов), в которых различные ферменты конкурируют за один и тот же субстрат.Подобная система настолько сложна (см. рис. 2.88), что для регулирования того,в какой момент времени и как быстро каждая из реакций должна произойти, необходим сложный контроль.Регуляция осуществляется на многих уровнях. На одном уровне клеткауправляет тем, сколько молекул каждого из ферментов она производит, путемрегулирования экспрессии генов, кодирующих эти ферменты (обсудим подробнеев главе 7).
Клетка управляет активностью ферментов также и за счет заключениянаборов этих ферментов в специфические субклеточные полости, окруженные обособленными мембранами (обсуждается в главах 12 и 14). Как будет сказано позжев этой главе, ферменты часто ковалентно модифицируются – для регулированияих активности. Скорость разрушения белка целенаправленным протеолизом представляет еще один важный регуляторный механизм (см. стр. 395).
Но самый общийпроцесс, посредством которого выверяются скорости реакций, работает через прямое, причем обратимое изменение активности фермента в ответ на определенныемаленькие молекулы, с которыми он встречается.Регуляция самого распространенного типа происходит, когда некая молекула,не входящая в репертуар субстратов, связывается с ферментом в специальном регуляторном участке, расположенном вне активного центра, и за счет этого изменяетскорость, с которой фермент превращает свои субстраты в продукты. Например, приингибировании по типу обратной связи продукт, производимый на более позднемучастке цепочки реакций, ингибирует фермент, который действует на более раннемэтапе их протекания. Таким образом, всякий раз, когда начинает накапливатьсябольшое количество конечного продукта, он связывается с ферментом и замедляеткаталитическое действие, чем ограничивает дальнейший расход субстратов в этойреакции (рис.
3.56). В тех местах, где пути ветвятся или пересекаются, находитсяобычно множество рычагов управления, осуществляемого с привлечением различ-Глава 3. Белки 289Рис. 3.57. Многократное ингибирование по типу обратной связи. В данном примере, который показывает пути биосинтеза четырех различных аминокислот в бактериях, красные стрелки отмечаютположения, в которых продукты ингибируют ферменты по типу обратной связи. Каждая аминокислотаконтролирует работу первого фермента, специфического именно для ее синтеза, и тем самым регулируетсвой собственный уровень, предотвращая возможность расточительного или даже опасного накопления промежуточных продуктов. Конечные продукты могут ингибировать также и «пакет» изначальныхреакций, общий для всех последующих реакций их синтеза; в данном случае начальную реакциюкатализируют три различных фермента, каждый из которых ингибируется определенным, отличным отдругих, конечным продуктом.290Часть 1.
Введение в мир клеткиных конечных продуктов, каждый из которых выступает регулировщиком своегособственного синтеза (рис. 3.57). Ингибирование по типу обратной связи можетсрабатывать почти мгновенно, и система может быстро возвращаться к исходномусостоянию после падения уровня концентрации продукта.Ингибирование по типу обратной связи представляет собой, по сути, отрицательную регуляцию – оно препятствует деятельности фермента.
Ферменты могутподвергаться также и положительной регуляции, когда регулирующая молекуластимулирует действие фермента, вместо того чтобы приостанавливать его. Положительная регуляция имеет место, когда продукт в одной ветви метаболической сетистимулирует активность некоторого фермента на другом пути. В качестве одногоиз примеров положительной регуляции можно привести следующий: накоплениеADP активирует несколько ферментов, участвующих в окислении молекул сахара,и таким образом стимулирует клетку для превращения бóльших объемов ADP вATP.3.2.16. Аллостерические ферменты обладают двумя и более взаимно влияющими друг на друга участками связывания лигандовПоразительная особенность как положительной, так и отрицательной регуляциипо типу обратной связи заключается в том, что молекула-регулятор часто имеет форму, совершенно отличную от формы субстрата данного фермента.
Именно поэтомувоздействие на белок называют аллостерией (от греческих слов allos, означающего«иной», и стерео, означающего «пространственный», или «трехмерный»). Когдабиологи больше узнали о регуляции по типу обратной связи, они признали, что вовлеченные в такого рода регуляцию ферменты должны иметь по крайней мере дваразных участка связывания на своей поверхности — активный участок, которыйраспознает субстраты, и регуляторный участок, который опознает регуляторнуюмолекулу.
Эти два участка должны каким-то образом сообщаться между собой, стем чтобы каталитические события на активном участке так или иначе зависели отсвязывания регуляторной молекулы на предназначенном для нее отдельном участкена поверхности белка.Взаимодействие между разобщенными участками на молекуле белка, кактеперь известно, зависит от конформационного изменения в белке: связывание наодном из участков вызывает переход из одной свернутой формы в другую, немногоотличную. В процессе ингибирования по типу обратной связи, например, связывание ингибитора на одном участке белка побуждает белок перейти в конформацию,которая выводит из строя его активный участок, расположенный в ином местебелковой молекулы.Считается, что в большинстве своем белковые молекулы являются аллостерическими.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
