4. Регуляция метаболической активности за счёт компартментализации ферментов и их взаимодействия с клеточными мембранами

Эукариотные и прокариотные клетки имеют пространственные «отсеки», в которых локализована часть их ферментативного аппарата. Так, у грамотрицательных бактерий некоторые гидролазы локализованы в периплазматическом пространстве (между внешней и цитоплазматической мембранами). Эти обстоятельства создают возможность регуляции ферментативной активности путем управления скоростью проникновения в «отсек» субстрата или выхода из него фермента (компартментация).

Многие белки и в том числе ферменты способны обратимо взаимодействовать с клеточной мембраной, что приводит к изменению физико-химических свойств белков и их ферментативной активности (аллотопия). Так, гидрофобные взаимодействия липидов и белков могут переводить по­следние в неактивное (латентное) состояние, напротив, электростатические взаимодействия вызывают активирование некоторых ферментов.

В свою очередь степень и характер взаимодействия ферментов с другими мембранными белками и липидами в определенной степени зависят от внутриклеточной концентрации электролитов, а следовательно, могут регулироваться при изменении физиологических условий.

Ферменты, катализирующие серию последовательных реакций, иногда образуют ансамбли, локализованные в цитоплазме (дегидрогеназы -кетокислот) или в клеточной мембране (ферменты дыхательной и фотосинтетической цепей). Регуляция в таких ансамблях имеет свои особенности, так как продукт, образуемый на предыдущей стадии, «подхватывается» следующим ферментом без выхода в окружающую среду.

Лекция №6

РЕГУЛЯЦИЯ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ БИОMEMБPAH. ПACСИВНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ И ТРАНСПОРТНЫЕ ФУНКЦИИ ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ МЕМБРАНЫ БАКТЕРИЙ. ОРГАНИЗАЦИЯ И РЕГУЛЯЦИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПРОЦЕССОВ НА УРОВНЕ БИОСИНТЕЗА. СБОРКА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ КОМПОНЕНТОВ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ. ЭНЕРГЕТИКА ТРАНСПОРТНЫХ ПРОЦЕССОВ У МИКРООРГАНИЗМОВ

1. Пассивная проницаемость и транспортные функции цитоплазматической мембраны бактерий

Основную роль в транспорте веществ из окружающей среды в клетки большинства микроорганизмов выполняют компоненты аппарата, локализованного в цитоплазматической мембране.

Наружная мембрана большинства микроорганизмов является барьером для проникновения большинства гидрофильных (и некоторых гидрофобных) веществ. Избирательная проницаемость наружной мембраны обеспечивается двумя основными способами: 1) образованием гидрофильных «каналов», или «пор», 2) с помощью специальных структурных белков (поринов), обеспечивающих проникновение гидрофильных веществ с молекулярной массой до нескольких сотен дальтон, 3) путем локализации в наружной мембране ряда специфических транспортных систем (для ионов желе мальтозы, витамина В₁₂, нуклеозидов).

Пассивная проницаемость

Пассивная проницаемость - проникновение через мембрану веществ без прямого участия мембранных посредников за счет теплового движения молекул (физическая диффузия). Конечным итогом физической диффузии обычно является уравнивание наружной (S_HАР) и внутриклеточной (S_BHУTР) концентраций вещества. Начальная скорость физической диффузии линейно зависит от внешней концентрации вещества, точнее от градиента концентраций (S = S_BHУTР - S_HАР), а изменение температуры (в пределах физиологического диапазона) мало влияет на скорость процесса (рис.).

Таким путем поступают в клетку вода, неполярные и малополярные молекулы газов (О₂, Н₂, N₂) и углеводороды.

Транспортные функции цитоплазматической мембраны

Для большинства гидрофильных природных субстратов (сахаров, аминокислот, органических кислот и т.д.) коэффициент диффузии через двойной липидный слой мембраны имеет очень низкую величину. Скорость диффузии этих веществ недостаточна для обеспечения нормальной скорости метаболических процессов. В связи с этим к функциям мембраны относится проведение таких транспортных процессов, как облегченная диффузия и активный транспорт.

Облегченная диффузия

При облегченной диффузии поступление веществ в микробную клетку осуществляется с помощью специфических мембранных переносчиков. Это мембранные белки, имеющие общее название пермеазы, которые в ряде случаев индуцируются своими субстратами. Переносимое вещество связывается с пермеазой снаружи и освобождается внутри клетки. При облегченной диффузии, так же как и при пассивной диффузии, переносимый субстрат движется по градиенту концентрации (т.е. от более высокой к более низкой концентрации), причем ни один из этих процессов не требует метаболической энергии.

В результате этого транспортного процесса происходит уравнивание внешней (S_HАР) и внутренней (S_BHУТР) концентраций переносимого вещества, либо незначительное превосходство последней (S_BHУТР> S_HАР).

Активный (концентрирующий) транспорт

Системы активного транспорта могут создавать внутри микробной клетки концентрации растворенных веществ, которые в тысячи раз превышают их концентрации во внешней среде. Это обеспечивает возможность развития микроорганизмов в условиях низкого содержания питательных ве­ществ. Активный транспорт характеризуется специфичностью по отношению к субстрату, которая обеспечивается мембранным переносчиком. Когда переносчик обращен к внешней поверхности мембраны, он имеет высокое сродство к субстрату, а когда обращен к ее внутренней поверхности - низкое. Благодаря этому субстрат «накачивается» в клетку. Этот процесс сопряжен с затратой метаболической энергии, обеспечивающей диссоциацию субстрата и переносчика на внутренней поверхности мембраны. Например, с помощью механизма активного транспорта при участии -галактозидпермеазы в клетку поступает лактоза.

Этот транспортный процесс требует затраты энергии, в результате чего происходит аккумуляция вещества в клетке, и внутренняя концентрация (S_BHУТР) переносимого вещества значительно превосходит наружную концентрацию (S_HАР), т.е. S_BHУТР >> S_HАР.

Стереоспецифичность - это отличительная особенность транспортных процессов от физической диффузии. Она означает, что близкие по химической структуре вещества конкурируют при транспорте за общий переносчик. Ограниченное количество молекул переносчика в мембране приводит к тому, что зависимость начальной скорости транспортного процесса от концентрации субстрата описывается уравнением ферментативной кинетики Михаэлиса-Ментен с аналогичными параметрами (К_т и v_max), а графически выражается гиперболой.