Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 49
Текст из файла (страница 49)
6) Схема реакции. Как отмечено, активный участок 1 производит аммиак, который диффундирует по туннелю к активному участну 2, где соединяется с карбоксифосфатом с образованием карбамината. Затем этот весьма нестойкий промежуточный продукт диффундирует сквозь туннель к активному участку 3, где фосфорилнруется АТР и нанонец превращается в ко- активны нечный продукт — карбамоилфосфат. (Изо- участок бражение о переработано из К М. Яаизьег, !. В. Тпобеп, апс) Н. М. Но!деп, Асс. Спелх Яез. Зб: 539-548, 2003. С разрешения Агпепсап Спето!са! 5осгету.) ый кэ ивный сток 2 но о ' о о~~)оо гидро кврбонат кврбокоифосфат нэо глута мин готтам иновал и э Р, т к нн, . -.--:--.."-.: —..-: — --) диффузия ,.о,, '"",, о'оо мн, о мн О МНт карбаминвт карбвмеапФосФа~ наг 1,)тСО ) в карбамоилфосфат — важный промежуточный продукт в нескольких метаболических путях (рггс.
З.з4). Этот фермент содержит три далеко огсгоящих друг от друга активных участка, которые соединены друг с другом посредством туннеля. Реакция начинается на активном участке 2, расположенном в середине туннеля, с использованием АТР для фосфорилирования (присоединеггия фосфатной группы) бикарбоната и заканчивается образованием карбоксифосфата. Зто событие запускает гидролиз глутамина до глутаминовой кислоты на активном участке 1, что сопрово ждаегся высвобождением аммиака в туннель.
Аммиак немедленно диффунднрует через первую половину туннеля к активному участку 2, где реагирует с карбокси фосфатом — с образованием карбамината. Далее этот неустойчивый промежуточный продукт диффундируег через вторую половину туннеля к активному участку 3, где фосфорилируется АТР до конечного продукта — карбамоилфосфата. 254 Часть 1.
Введение в иир клетки Некоторые другие хорошо охарактеризованные ферменты также содержат подобные молекулярные туннели. Аммиак — легко диффундирующий промежуточный продукт, который иначе мог быть утрачен клеткой, — является субстратом, который, как теперь известно, чаще всего направляется по ферментативным туннелям. 3.2.14.
Мультиферментные комплексы помогают увеличить скорость метаболизма в клетке Эффективность ферментов в плане ускорения химических реакций является крайне важной для поддержания жизни. Клетки, в сущности, должны бежать на перегонки с неизбежными процессами распада, которые — если позволить им уйти вперед — заставят макромолекулы скатываться вниз ко все большему и большему беспорядку. Если бы скорости желательных реакций не были выше, чем скорости конкурирующих побочных реакций, то клетка вскоре умерла бы. Мы можем получить некоторое представление о скорости протекания метаболизма в клетке, измеряя скорость использования АТР. Типичная клетка млекопитающих «оборачивает» (то есть гидролизирует и восстанавливает фосфорилированием) резерв АТР в полном объеме за 1 — 2 минуты. Для каждой клетки такая оборачиваемость означает использование примерно 10г молекул АТР в секунду (или, для всего организма человека, приблизительно 1 грамм АТР каждую минуту).
Скорости реакций в клетках велики именно благодаря столь высокой эффективности ферментативного катализа. Многие важные ферменты стали настолько эффективными, что нет никакой необходимости в дальнейшем усовершенствовании. Фактор, который ограничивает скорость реакции, более не определяется свой ственной ферменту скоростью действия; скорее, он обусловлен частотой, с которой фермент сталкивается со своим субстратом. Говорят, что такая реакция является диффузионно-лимитпированиой (см.
приложение 3.3, стр, 244 — 245). Если скорость катализируемой ферментом реакция лимитирована диффузией, то она зависит от концентрации и самого фермента, и его субстрата. Если нужно, чтобы некоторая последовательность реакций происходила чрезвычайно быстро, то каждый промежуточный продукт метаболизма и участвующий в реакциях фермент должны присутствовать в высокой концентрации.
Однако, ввиду огромного числа различных реакций, выполняемых клеткой, существуют пределы концентраций, которые реально могут быть достигнуты. Фактически большинство метаболитов присутствует в микромолярных (10 »моль 'литр) концентрациях, а концентрации большинства ферментов намного ниже. Как же при таком раскладе возможно под держивать очень быстрые скорости метаболических реакций? Ответ кроется в пространственной организации компонентов клетки. Клетка способна увеличивать скорости реакций, не повышая концентрации субстратов, за счет сведения различных ферментов, участвующих в последовательности реак ций, воедино и образования из них крупного белкового ансамбля, известного под названием мультиферментного комплекса (рис.
3.55). Поскольку это позволяет передавать продукт фермента А непосредственно ферменту В и так далее, интенсивность диффузии уже не должна ограничивать скорость реакции, даже когда концентрации 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 ключевые генетические процессы синтеза ДНК, РНК и белка. Фактически лишь немногие ферменты в эукариотических клетках свободно диффундируют в растворе; вместо этого, + 24 молекулы пируватдекарбокоилазы В гримеров липоамидредуктазы трансацетилазы + 12 молекул Рис.
3.99. Струкгура пируватдегидрогеназы. Этот ферментный комплекс катализирует превращение пнрувата в асету)сод — реакция, являющаяся составной частью пути окисления сахара до со, и н,о (см. рис. 2. 79). Пи руватдегидроге ната служит примером крупного мул ьтиферментного комплекса, в котором промежуточные продукты реакции непосредственно передаются от одного фермента к другому. Живая клетка включает в себя тысячи ферментов, многие из которых работают одновременно и в обгцем малом обьеме цитозоля. Своим каталитическим действием зти ферменты создают сложную сеть метаболических путей, каждый из которых состоит из цепочек химических реакций, в которых продукт одного фермента стано вится 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, нг. обходим сложный контроль. Регуляция осуществляется на многих уровнях. 11а одном уровне клетка управ ляет тем, сколько молекул каждого из ферментов она производит, путем регулиро вания экспрессии генов, кодирующих эти ферменты (обсудим подробнее в главе 7). Клетка управляет активностью ферментов также и за счет заключения наборов этих ферментов в специфические субклеточные полости, окруженные обособленными болыпинство, кажется, выковало в кузнице эволюции такие участки связывания, благодаря которым они группируются с другими белками родственной функции в определенных областях клетки. увеличивая тем самым скорость и эффективность катализируемых ими реакций.
Эукариотические клетки располагают еще одним способом гювышения скоро сти метаболических реакций — использование систем внутриклеточпых мембран. Эти мембраны могут заключать определенные субстраты и ферменты, которые воздействуют на них, в одну и ту же обособленную мембраной полость, такую как эндоплазматический ретикулум или ядро клетки. Если, например, некоторая полость занимает в целом 10«ь от общего объема клетки, то концентрация реагентов в этой полости будет увеличена в 10 раз по сравнения> с концентрацией этих же молекул в клетке с тем же числом молекул фермента и субстрата, но без «расггределения» по гтолостям. Таким вот образом реакции, ограниченные ско)юстью диффузии, могут быль ускорены в 10 раз. Рис. 3.56.
Торможение по типу обратной связи на отдельно взятом пути биосннтеза. Конечный продукта нигиби руст не рвы й фермент, который является уникальным для его синтеза, и тем самым управляет уровнем своей концентрации в клетке. Это пример отрицательной регуляции. понижагоегвя регуляция 3.2 1б. Аллостеричесиие ферменты обладангт двумя и более Взаимно Влияю1цими дРуг нз ДРугз учзстхзми связьзвзния лигвндов Поразительная особенность как положительной, так и отрицательной регуляции по типу обратной связи заключается в том, что молекула регулятор часто имеет фор му, совершенно отличную от формы субстрата данного фермента. Именно поэтому воздействие на белок называют аллостерией (от греческих слов аПод означающего мембранами (обсуждается в главах 12 и И).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
