2. Регуляция биосинтеза ферментов

Гудвин осуществил попытку построения фундаментальной теории внутриклеточных процессов, аналогичной по своей структуре классической механике [1].

Биосинтез фермента является конечным звеном процесса выражения генетической информации. Этот многостадийный процесс может быть представлен следующим образом:

[Транскрипция] → [Трансляция] → [Морфогенез]; (1.1)

[Образование активного комплекса] → [Инактивация]. (1.2)

Этапы процесса заключены в скобки. Естественно, что система управления столь сложным процессом должна быть многогранной.

Первые два этапа (транскрипция и трансляция) представляют матричные изменения, т.е. порядок строительных блоков задается матрицей. При этом ферменты обычно катализируют образование простой ковалентной связи индифферентно к ее месту в цепи («матричный биосинтез»).

В матричном биосинтезе выделяют три фазы:

– инициация, при которой активная матрица и фермент объединяются, образуя активный комплекс, способный в нормальных условиях начать биосинтез;

– рост цепи, при котором происходит строго направленное движение фермента и ступенчатое присоединение строительных блоков к растущему полимеру;

– терминация (завершение), при которой осуществляется высвобождение полимера.

Все фазы могут быть объектом управления. Однако, поскольку существует предел скорости роста цепи, предполагают, что основным объектом управления является фаза инициации.

Следующим этапом в биосинтезе фермента является формирование уникальной трехмерной структуры, который приводит к морфогенетическим изменениям (морфогенез). Затем следуют этапы образования активного комплекса и его инактивации.

Проблема активации гена. Ген считается активным, если он синтезирует соответствующую mРНК. Таким образом, активация гена означает трансформацию определенного участка хромосомы, которая допускает образование активного комплекса с РНК-полимеразой.

Доказано [1], что биосинтез ферментов могут регулировать гормоны, поскольку в их присутствии (физиологические концентрации) происходит локальное ослабление прочности двойной спирали ДНК.

Также имеются данные [1], что ионы металлов способны локально «расплетать» (Cu) и «заплетать» (Na) двойную спираль ДНК и эффект действия некоторых гормонов может быть имитирован ионами металлов.

Положения, поясняющие процесс биосинтеза ферментов, были развиты в теоретических воззрениях Кляйна и Бока, основными из которых являются следующие [1]:

– существуют регуляторные гены, кодирующие синтез полипептидов;

– многочисленные единицы белков претерпевают конформационные изменения, взаимодействуя с субстратами и метаболитами;

– растущая полипептидная цепь приобретает конформацию, допускающую специфическое взаимодействие с субстратами, метаболитами или другими полипептидами;

В процессе синтеза фермента полипептидная цепь приобретает конформа-цию, ингибирующую дальнейший рост цепи; индуктор (метаболит) изменяет конформацию, снимает ингибирование и индуцирует синтез фермента.

Было также показано:

– синтез фермента начинается тотчас после инфекции;

– через 6 ч после инфекции в отсутствие ингибиторов синтез фермента прекращается.

В [1] на примере регуляции биосинтеза гемоглобина было показано, что гем является регулятором. Оказалось, что гем необходим для освобождения глобина из активного комплекса, а процесс синтеза гемоглобина будет регулироваться критической концентрацией гема.

Другой пример: если в ростовой среде присутствует преднизолон, то через 15–24 ч активность фермента в клетках возрастает в 5–10 раз, но количество молекул фермента, скорость его синтеза и распада остаются неизменными. Таким образом, увеличивается только удельная активность фермента, а гормон или продукты, возникающие под его влиянием, влияют на морфогенез фер-мента, и он приобретает более активную конформацию.

В настоящее время считают, что каждый фермент в клетках животных обладает характерным периодом полураспада; эта величина для различных ферментов одной и той же клетки варьирует от 1–2 ч до нескольких суток.

В клетках высших организмов регулируется не только синтез фермента, но и скорость его распада; инактивация ферментов осуществляется специальными белками (инактиваторами), биосинтез которых строго контролируется.

Проблема регуляции биосинтеза ферментов является центральной проблемой молекулярной биологии. На всех этапах биосинтеза фермента, начиная с активации гена, эффект в одном месте вызывает цепь событий во всей системе биосинтеза.