6. Регуляция метаболизма: общие принципы регуляции

Регуляция скорости протекания реакций определенного метаболического пути часто осуществляется путем изменения скорости одной или, возможно, двух ключевых реакций, катализируемых " регуляторными ферментами ". Некоторые физико-химические факторы, контролирующие скорость ферментативной реакции, например концентрация субстрат а, имеют первостепенное значение при регуляций общей скорости образования продукта данного пути метаболизма. В то же время другие факторы, влияющие на активность ферментов, например температура и pH, у теплокровных животных постоянны и практически не имеют значения для регуляции скорости процессов метаболизма. (Обратите, однако, внимание на изменение значения pH по ходу желудочно-кишечного тракта и его влияние на пищеварение.

Равновесные и неравновесные реакции

При достижении равновесия прямая и обратная реакции протекают с одинаковой скоростью, и, следовательно, концентрации продукта и субстрата остаются постоянными. Многие метаболические реакции протекают именно в таких условиях, т.е. являются "равновесными".

A + B = C + D В стационарных условиях in vivo протекание реакции слева направо возможно за счет непрерывного поступления субстрата и постоянного удаления продукта D. Такой путь мог бы функционировать, но при этом оставалось бы мало возможностей для регуляции его скорости путем изменения активности фермента, поскольку увеличение активности приводило бы только к более быстрому достижению равновесия.

В действительности в метаболическом пути, как правило, имеются одна или несколько реакций "неравновесного" типа, концентрации реактантов которых далеки от равновесных. При протекании реакции в равновесном состоянии происходит рассеивание свободной энергии в виде теплоты, и реакция оказывается практически необратимой.

По такому пути поток реактантов идет в определенном направлении, однако без системы контроля наступит его истощение. Концентрации ферментов, катализирующих неравновесные реакции, обычно невелики, и активность ферментов регулируется специальными механизмами; эти механизмы функционируют по принципу "одноходового" клапана и позволяют контролировать скорость образования продукта.

Лимитирующая реакция метаболического пути

Определяющая скорость реакция (лимитирующая) - это первая реакция метаболического пути, фермент которой насыщается субстратом. Она может быть определена как "неравновесная" реакция, характеризующаяся величиной Km, значительно меньшей, чем нормальная концентрация субстрата. Первая реакция гликолиз а, катализируемая гексокиназой , является примером такой определяющей скорость реакции.

7. Ограниченный протеолиз

Ограниченный протеолиз составляет основу деятельности всех белков плазмы, принадлежащих к так называемым эффекторным системам. Сюда относится калликреин-кининовая система, фибринолитическая система и, наконец, интересующая пас система комплемента. Последствия активации комплемента характеризуются последовательной цепью весьма специфических с ограниченной направленностью протеолитических реакций, которые катализируют распад ряда белков комплемента, возникновение активных ферментов и их предшественников и образование белковых комплексов между двумя или более продуктами расщепления (S. Ruddy, 1974). Принципом деятельности эффекторных систем является существование двух или более механизмов, которые приводят к одному и тому же результату.

Например, имеется несколько путей, приводящих к образованию ферментов плазмы, которые способны расщеплять СЗ. Субъединица Clq имеет центр связи, который соединяется с иммуноглобулином, активируя Clr. Последний в свою очередь активирует Cls, который преобразуется в Cls. Субъединица Cls обнаруживает эстеролитическое действие на некоторые синтетические субстраты, например на ТАМ (В-толуолсульфонил-L-apгининовый метиловый эфир) и др. Далее эта субъединица расщепляет четвертый компонент С4 не менее чем на две части. Одна из них главная — С4Ь — или соединяется с клеточной мембраной, образуя промежуточный продукт С14, или остается в жидкой фазе в виде гемолитически неактивного продукта — C4i. Давно проведенные исследования показали, что С4 предшествует второму компоненту комплемента — С2 — в гемолитической последовательности, при этом они являются естественными субстратами субъединицы Cls. Совсем недавно было показано, что влияние G1 на С2 увеличивается предшествующим взаимовлиянием С1 и С4. Предполагают, что это взаимовлияние меняет конфигурацию молекулы С1, выявляя ферментативный центр, который расщепляет С2. Влияние фермента С14 на С2 имеет следствием захват большого фрагмента С2а, промежуточного продукта С14 для формирования комплекса С142.

Основные механизмы регуляции метаболических процессов

Активность всех путей обмена веществ постоянно регулируется, что обеспечивает соответствие синтеза и деградации метаболитов физиологическим потребностям организма. В этом разделе рассматриваются механизмы такой регуляции. Более детально вопросы регуляции клеточного метаболизма представлены на .Поток метаболитов в обмене веществ определяется прежде всего активностью ферментов .Для воздействия на тот или иной путь достаточно регулировать активность фермента, катализирующего наиболее медленную стадию. Такие ферменты, называемые ключевыми ферментами, имеются в большинстве метаболических путей. Активность ключевого фермента регулируется на трех независимых уровнях,

Контроль транскрипции. Контроль за биосинтезом фермента (1) осуществляется на генетическом уровне. Прежде всего речь идет о синтезе соответствующей мРНК (mRNA), а также о транскрипции кодирующего фермент гена, т.е. о регуляции транскрипции .В этом процессе принимают участие регуляторные белки (RP) (факторы транскрипции), действие которых направлено непосредственно на ДНК. К тому же в генах имеются специальные регуляторные участки — промоторы — и участки связывания регуляторных белков (регуляторные элементы). На эффективность действия этих белков влияют метаболиты или гормоны. Если этот механизм усиливает синтез фермента, говорят об индукции, если же снижает или подавляет — о репрессии. Процессы индукции и репрессии осуществляются лишь в определенный отрезок времени.

8. Взаимопревращение. Значительно быстрее, чем контроль транскрипции, действует взаимопревращение ключевых ферментов (2). В этом случае фермент присутствует в клетке в неактивной форме. При метаболической потребности по сигналу извне и при посредничестве вторичного мессенджера активирующий фермент (E1) переводит ключевой фермент в каталитически активную форму. Если потребность в этом пути обмена веществ отпадает, инактивирующий фермент (E2) снова переводит ключевой фермент в неактивную форму. Процесс взаимопревращения в большинстве случаев состоит в АТФ-зависимом фосфорилировании ферментных белков протеинкиназой и соответственно дефосфорилировании фосфатазой .В большинстве случаев более активна фосфорилированная форма фермента, однако встречаются также и противоположные случаи.

Модуляция лигандами. Важным параметром, контролирующим протекание метаболического пути, является потребность в первом реагенте (здесь это метаболит А). Доступность метаболита А возрастает с повышением активности метаболического пути (3), в котором образуется А, и падает с повышением активности других путей (4), в которых А расходуется. Доступность А может быть ограничена в связи с его транспортом в другие отделы клетки.

Часто лимитирующим фактором является также доступность кофермента (5). Если кофермент регенерируется по второму независимому пути, этот путь может лимитировать скорость основной реакции. Таким образом, например, гликолиз и цитратный цикл регулируются доступностью НАД+.Так как НАД+ регенерируется в дыхательной цепи, последняя регулирует катаболизм глюкозы и жирных кислот .Наконец, активность ключевого фермента может регулироваться лигандом (субстратом, конечным продуктом реакции, коферментом, другим эффектором) как аллостерическим эффектором путем связывания его не в самом активном центре, а в другом месте фермента, и вследствие этого изменением ферментативной активности .Ингибирование ключевого фермента часто вызывается конечными продуктами реакции соответствующей метаболической цепи (ингибирование по типу обратной связи) или метаболитом, участвующим в другом пути. Стимулировать активацию фермента может также первый реагент реакционной цепи.