Биологическая химия - часть 37

Этот тип регуляции играет, очевидно, лишь ограниченную роль, по-

скольку в реальных условиях реакция обычно протекает в одном направле-

нии, так как образовавшиеся продукты могут оказаться субстратами для

действия других ферментов и выводиться из сферы реакции. В этих случаях

устанавливается скорее устойчивое (стационарное) состояние, чем истинное

равновесие.

Изменение количества фермента. На бактериях хорошо изучен феномен

и н д у ц и р о в а н н о г о (индуцирующего)  с и н т е з а ферментов при выращи-

вании их на среде, где единственным источником углерода и энергии служит

тот или иной углевод, например глюкоза. Замена в среде глюкозы на

лактозу (индуктор) приводит к индуцированному или адаптивному (после

небольшого периода лаг-фазы) синтезу фермента галактозидазы (програм-

мированному лактозным геном, см. главу 13), расщепляющей лактозу на

глюкозу и галактозу.

В клетках прокариот и эукариот имеются ферменты, концентрация

которых не требует добавления индуктора; это так называемые  к о н с т и -

т у т и в н ы е ферменты. Количество фермента в клетке зависит от наличия

продукта реакции, катализируемой данным ферментом, причем продукт

реакции вызывает торможение синтеза фермента в результате  р е п р е с с и и

(см. далее).

В животных тканях быстрый синтез ферментов наблюдается реже.

Механизм его (индуцирующий синтез) изучен только для небольшого

числа ферментов: тирозинтрансаминазы, серин- и треониндегидратазы,

триптофанпирролазы и др. – в ответ на введение гормонов или прием

белковой пищи. Однако при поступлении в организм некоторых ядов,

канцерогенных веществ, алкалоидов, инсектицидов через несколько дней

наблюдается резкое повышение активности (соответственно количества)

ферментов-гидроксилаз (монооксигеназ) эндоплазматической сети

клеток печени, окисляющих чужеродные вещества в нетоксичные для

организма продукты. Вполне допустимо предположить, что в этих случаях

имеет место синтез ферментов путем индукции (т.е. de novo). Описаны

случаи, когда под действием подобных гидроксилаз чужеродные вещества

превращаются в организме в более токсичные соединения. Это явление,

обратное детоксикации, получило название  л е т а л ь н о г о синтеза.

Проферменты. Протеолитические ферменты пищеварительного тракта,

а также поджелудочной железы синтезируются в неактивной форме – в виде

п р о ф е р м е н т о в (зимогенов). Регуляция в этих случаях сводится к пре-

вращению проферментов в активные ферменты под влиянием специфи-

ческих агентов или других ферментов – протеиназ. Так, трипсин в под-

желудочной железе синтезируется в форме неактивного трипсиногена.

Поступив в кишечник, он превращается в активный трипсин в результате

аутокатализа или под действием других протеиназ (механизм активации

подробно рассматривается в главе 12). Превращение неактивного пепси-

ногена в активный пепсин происходит аутокаталитически в результате

специфического ограниченного протеолиза в присутствии соляной кислоты

и также связано с отщеплением от профермента специфического ингибитора

пептидной природы. Эти превращения зимогенов в активные ферменты

связаны с конформационными изменениями молекулы фермента и форми-

рованием активного центра или его раскрытием (демаскирование). Синтез

протеиназ в неактивной форме и ряда других неактивных белков-пред-

шественников имеет, очевидно, определенный биологический смысл, пре-

дотвращая разрушение клеток органов, в которых образуются профер-

менты. Примерами подобного активирования белков является активиро-

153

Рис. 4.23. Ковалентная модификация фермента путем фосфорилирования-дефосфо-

рилирования остатков серина.

Рис. 4.24. Нековалентная модификация фермента путем аденилирования-деадени-
лирования.

вание некоторых гормонов (проинсулин —> инсулин), белка соединительной

ткани (растворимый проколлаген превращается в нерастворимый колла-

ген), белков свертывающей системы крови.

Химическая модификация фермента. Некоторые белки при формиро-

вании третичной структуры подвергаются постсинтетической химической

модификации (см. главу 1). Оказалось, что активность ряда ключевых

ферментов обмена углеводов, в частности фосфорилазы, гликогенсинтазы

и др., также контролируется путем фосфорилирования и дефосфорили-

рования, осуществляемого специфическими ферментами – протеинкиназой

и протеинфосфатазой, активность которых в свою очередь регулируется

гормонами (см. главу 10). Уровень активности ключевых ферментов обмена

углеводов и соответственно интенсивность и направленность самих про-

цессов обмена определяются соотношением фосфорилированных и де-

фосфорилированных форм этих ферментов.

Обычно различают обратимую ковалентную и нековалентную хими-

ческие модификации ферментов, осуществляемые через ОН-группы серина,

реже – тирозина или за счет нековалентных взаимодействий с молекулой

фермента. В первом случае активным ферментом оказывается или фосфо-

рилированная, или дефосфорилированная форма, как в случае с моле-

кулами мышечной фосфорилазы и гликогенсинтазы соответственно (см.

главу 10). В качестве примеров можно в виде схемы представить оба типа

модификации, в которой символом Р обозначается остаток фосфата,

P

i

 – неорганический фосфат (Н

3

РО

4

), РР

i

 – неорганический пирофосфат

(Н

4

Р

2

О

7

), АМФ – остаток адениловой кислоты (рис. 4.23; 4.24).

Химическая постсинтетическая модификация ферментов включает,

кроме того, процессы ограниченного протеолиза (см. ранее), метилиро-

вания (см. главу 13), гликозилирования, уридилирования, аденилирования,

АДФ-рибозилирования * и др., обеспечивая тем самым микроскопический

* Интересно, что дифтерийный и холерный токсины наделены энзиматической актив-

ностью, вызывая АДФ-рибозилирование (соответственно инактивацию) ключевых клеточных

ферментов или белков. Дифтерийный токсин выключает синтез белкового фактора 2 стадии

элонгации синтеза белка, а холерный – специфического G-белка и как следствие вызывает

массивную потерю воды.

154

2АТФ

2АДФ

Киназа

Фосфатаза

2P

i

2Н

2

O

Е

Е

Е

Е

Е

Е

2АТФ

2РР

i

2АМФ

2Н

2

O

АМФ

АМФ

Е

Е

тип регуляции активности ферментов и соответственно физиологическую

скорость процессов обмена веществ.

Аллостерическая регуляция. Во многих строго биосинтетических реак-

циях основным типом регуляции скорости многоступенчатого фермента-

тивного процесса является  и н г и б и р о в а н и е по  п р и н ц и п у  о б р а т н о й

связи. Это означает, что конечный продукт биосинтетической цепи подав-

ляет активность фермента, катализирующего первую стадию синтеза,

которая является ключевой для данной цепи реакции. Поскольку конечный

продукт структурно отличается от субстрата, он связывается с аллостери-

ческим (некаталитическим) центром молекулы фермента, вызывая ингиби-

рование всей цепи синтетической реакции.

Предположим, что в клетках осуществляется многоступенчатый био-

синтетический процесс, каждая стадия которого катализируется собст-

венным ферментом:

Скорость подобной суммарной последовательности реакций в значи-

тельной степени определяется концентрацией конечного продукта Р,

накопление которого выше допустимого уровня оказывает мощное инги-

бирующее действие на первую стадию процесса и соответственно на

фермент E

1

.

Впервые существование подобного механизма контроля активности

ферментов метаболитами было обнаружено у Е.coli при исследовании

синтеза изолейцина и ЦТФ. Оказалось, что изолейцин, являющийся

конечным продуктом синтеза, избирательно подавляет активность треонин-

дегидратазы, катализирующей первую стадию последовательного процесса

превращения треонина в изолейцин, насчитывающего пять ферментативных

реакций:

Аналогично ЦТФ как конечный продукт биосинтетического пути оказы-

вает ингибирующий эффект на первый фермент (аспартаткарбамоилтран-

сферазу), регулируя тем самым свой собственный синтез (см. главу 13).

Этот тип ингибирования получил название ингибирования по принципу

обратной связи, или  р е т р о и н г и б и р о в а н и я . Существование его доказано

во всех живых организмах. В настоящее время он рассматривается как один

из ведущих типов регуляции активности ферментов и клеточного мета-

болизма в целом *.

С другой стороны, в амфиболических процессах, выполняющих одно-

временно биосинтетические и биодеградативные функции **, доказано су-

* Скорость реакции (как и активность ферментов) в чисто биодеградативных (ката-

болических) процессах регулируется промежуточными продуктами, являющимися индикато-

рами энергетического состояния клетки (пуриновые нуклеотиды, пирофосфат, неорганический

фосфат и др.).

** К амфиболическим процессам относят такие центральные пути обмена, как гликолиз,

гликогенолиз, цикл трикарбоновых кислот, гексозомонофосфатный путь, трансаминирование

аминокислот.

155

L-треонин

Треонинде-

гидратаза

L-изолейцин.

А

E

1

Е

2

Е

3

Е

4

Р

Б

В

Г

E

1

А

Е

2

В

Е

3

С

Е

4

D

Е

5

Рис. 4.25. Взаимодействие алло-
стерического фермента с субст-
ратом и эффекторами (схема).
а - активный комплекс; б - неактив-

ный комплекс; 1 - активный центр;

2 - аллостерический центр; 3 - субст-

рат; 4 - положительный эффектор;

5 - отрицательный эффектор.

ществование регуляции как по типу ретроингибирования, так и макроэрги-

ческими соединениями – индикаторами энергетического состояния клетки.

Для амфиболических процессов уникальным типом регуляции, свойствен-

ным только им, является, кроме того,  а к т и в а ц и я  п р е д ш е с т в е н н и к о м ,

когда первый метаболит в многоступенчатом пути активирует фермент,

катализирующий последнюю стадию. Так, доказано активирующее влияние

глюкозо-6-фосфата, являющегося предшественником гликогена, на фермент

гликогенсинтазу.

Подобные типы ингибирования конечным продуктом и активирования

первым продуктом свойственны аллостерическим (регуляторным) фермен-

там, когда эффектор, модулятор, структурно отличаясь от субстрата,

связывается в особом (аллостерическом) центре молекулы фермента, прост-

ранственно удаленном от активного центра. Следует, однако, иметь в виду,

что модуляторами аллостерических ферментов могут быть как активаторы,

так и ингибиторы. Часто оказывается, что сам субстрат оказывает активи-

рующий эффект. Ферменты, для которых и субстрат, и модулятор пред-

ставлены идентичными структурами, носят название  г о м о т р о п н ы х в от-

личие от  г е т е р о т р о п н ы х ферментов, для которых модулятор имеет

отличную от субстрата структуру. Взаимопревращение активного и неак-

тивного аллостерических ферментов в упрощенной форме, а также конфор-

мационные изменения, наблюдаемые при присоединении субстрата и эф-

фекторов, представлены на рис. 4.25. Присоединение отрицательного эф-

фектора к аллостерическому центру вызывает значительные изменения

конфигурации активного центра молекулы фермента, в результате чего

фермент теряет сродство к своему субстрату (образование неактивного

комплекса).

Аллостерические взаимодействия проявляются в характере кривых за-

висимости начальной скорости реакции от концентрации субстрата или

эффектора, в частности в S-образности этих кривых (отклонение от гипер-

болической кривой Михаэлиса-Ментен). S-образный характер зависимости

v от [S] в присутствии модулятора обусловлен эффектом кооперативности.

Это означает, что связывание одной молекулы субстрата облегчает связы-

вание второй молекулы в активном центре, способствуя тем самым увели-

чению скорости реакции. Кроме того, для аллостерических регуляторных

ферментов характерна нелинейная зависимость скорости реакции от кон-

центрации субстрата.

Другие типы регуляции активности ферментов. Абсолютное количество

присутствующего в клетке фермента регулируется временем его синтеза

и распада. К регуляторным механизмам могут быть отнесены также

конкуренция ферментов за общий субстрат, выключение активности одного

из изоферментов (у множественных форм ферментов), влияние концентра-

156

1

2

3

4

а

б

1

2

5

3