31. Уровни регуляции клеточного метаболизма и пути воздействия на него.

8-9 уровней регуляции. Репликация, 7-ой – субстратное регулирование (транскрипция, трансляция, модификация), 8 – секреция (продукт внутри и снаружи)

Выделяют несколько уровней регуляции метаболизма. В метаболическом пути происходит саморегуляция на уровне субстрата или продукта; например, уменьшение количества продукта может компенсированно увеличить поток субстрата реакции по данному пути. Этот тип регулирования часто включает аллостерическое регулирование активности некоторых ферментов в метаболических путях. Внешний контроль включает клетку многоклеточного организма, изменяющую свой метаболизм в ответ на сигналы от других клеток. Эти сигналы, как правило, в виде растворимых мессенджеров, например гормоны и факторы роста, определяются специфическими рецепторами на поверхности клеток.Затем эти сигналы передаются внутрь клетки системой вторичных мессенджеров, которые зачастую связаны с фосфорилированием белков.

Хорошо изученный пример внешнего контроля — регуляция метаболизма глюкозы инсулином.[101] Инсулин вырабатывается в ответ на повышение уровня глюкозы в крови.

1). Регуляция метаболитами. Осуществляется изменениями концентраций метаболитов (промежуточных продуктов обмена) без изменения количества ферментов и их активности. Примером этого типа является регуляция дыхания. Поток электронов через дыхательные цепи связан со скоростью образования АТФ. Т.к. интенсивность образования АТФ лимитируется количеством АДФ, то последнее ограничивает и интенсивность реакции переноса электронов по дыхательной цепи.

2). Ферментная регуляция – связана с изменением активности ферментов без изменения их количеств, при воздействии на ферменты регулирующих (активирующих или ингибирующих факторов). На ферментном уровне выявлено несколько механизмов регуляции. Для анаболических путей метаболизма преобладающим является механизм регуляции конечным продуктом – конечный продукт ингибирует один из первых ферментов последовательности реакций биосинтеза.

3). Генная регуляция – основана на изменении количества ферментов вследствие влияния регулирующего фактора на биосинтез или разрушение ферментов. Данный тип оказывает наиболее глубокое и эффективное воздействие на процессы метаболизма клетки, т.к. генная регуляция определяет количество и активность синтезируемого фермента, в то время как другие механизмы регуляции лишь непосредственно или косвенно воздействуют на активность ферментов (по выражению М.Е.Бекер «обеспечивают их тонкую настройку»).

2) Регуляция конечным продуктом. Общий механизм биохимической активности у микроорганизмов заключается в ингибировании фермента, катализирующего новую стадию метаболического пути конечным продуктом этого пути по типу обратной связи

Регуляция путем обратимого фосфорилирования. Основана на циклическом переходе ферментов. Катализирующих ключевые реакции катаболизма и анаболизма из фосфорилированных форм в дефосфорилированные. Присутствие фосфат ионов необходимо в среде для осуществления каталитических реакций распада углеводов,биосинтеза фосфолипидов, полифосфатов, нуклеиновых кислот. Во всех этих случаях ферменты, способные образовывать фосфорилированные формы, выполняют функции транспорта фосфата.

Регуляция посредством ковалентной модификации. Например, активность глутанатсинтетазы у многих бактерий регулируется через обратимое аденилирование и деаденирование.

Регуляция путем ограниченного протеолиза. Ограниченный протеолиз является одним из распространенных методов перевода неактивной формы белковой молекулы в форму, проявляющую каталитическую активность. При протеолитическом отщепления определенного участка молекулы высвобождается активный центр, изменяется его строение и т.д.

Регуляция аллостерических ферментов. Основана на изменениях конформации фермента, ведущей к изменению его активности. Свойства аллостерических белков изменяются в результате присоединения специфической низкомолекулярной молекулы – эффектора. Аллостерические ферменты имеют, как правило, четвертичную структуру. Каждая субъединица имеет два разобщенных связывающих участка: каталитический и регуляторный (аллостерический), присоединение к которому эффектора изменяет конформацию каталитического центра, активируя или инактивируя его. У микроорганизмов широко распространен механизм регуляции, при котором метаболит действует как аллостерический эффектор, катализирующий либо его собственное превращение, либо образование продукта, находящегося далее в цепи.

Белки-ингибирты – являются одной из универсальных систем контроля метаболизма микробной клетки. Многие известные ингибиторы белковой природы имеют высокий уровень специфичности. В настоящее время наиболее изучены ингибиторы гидролаз. Это белки с небольшой молекулярной массой (около 10000 ед.), не содержат простетической группы. Белки – ингибиторы характеризуются высокой устойчивостью к протеолизу. Локализация их может быть как внутри-, так и внеклеточной.

3) Индуцируемый ферменты синтезируются клеткой в ответ на воздействие определенного фактора внешней среды, в качестве которого выступает, как правило, какой-либо компонент внешней среды – эффектор. Под эффекторами понимают вещества, вызывающие изменение скорости синтеза белков при их попадании в микробную клетку. При этом вещества. Индуцирующие синтез клеткой определенного фермента называют индукторами, а вещества, подавляющие синтез – репрессорами. Регуляция метаболизма микроорганизмов на генном уровне основана на использовании механизмов индукции и репрессии синтеза клеточных ферментов.

Индукция.

Аутогенная регуляция. В данном случае в качестве репрессора выступает фермент, информация о синтезе которого зашифрована на контролируемом участке ДНК. Индуктором, как правило, является продукт катаболизма, образующийся под действием фермента.

Аутоиндукция. Сущность этого явления заключается в перестройке метаболизма клетки в направлении синтеза за счет внутриклеточных компонентов. Так, культура гриба Asp.niger, культивируемая в условиях дефицита источников азота, вырабатывает индуктор, ускоряющий синтез протеаз.

Репрессия. При регуляции метаболизма по механизму репрессии белок-репрессор в отсутствии эффектора находится в неактивном состоянии, т.е. транскрипция генов и синтез фермента не ограничены. При достижении определенной концентрации продукта катаболизма, образующегося при участии фермента, репрессор переходит в активную форму, блокируя транскрипцию. Таким образом, продукт метаболизма в данном случае выступает в роли специфического эффектора (корепрессора), ингибирующего синтез фермента. Частным случаем данного механизма является катаболическая репрессия