6.3.1.4. Метаболизм фосфата

Главный биохимический путь включения фосфата в органические соедине­ния идет через АТФ: неорганический фосфат вовлекается в реакции углевод­ного обмена (см. гл. 3 и 4) и биосинтеза фосфолипидов. В состав нуклеиновых кислот АТФ входит как ключевое соединение. Поскольку химическая форма фосфора не меняется, можно говорить о «химической» компартментации фос­фата или распределении Ф_н между различными типами органических соедине­ний. В табл. 6.4 приведены величины времени обновления различных химиче­ских Р-пулов.

Таблица 6.4. Время обновления и скорость синтеза различных типов фосфорсодержащих органических соединений (по R.L.Bieleski, I.B.Ferguson, 1983)

Уже через 30 с поглощенный Ф_н включается в состав АТФ в γ-положении:

α β γ

аденозин—Р ~ Р ~ Р

Далее имеет место быстрая обменная реакция между АТФ и УТФ, катали­зируемая нуклеозиддифосфаткиназой, поэтому следует говорить о быстро об­новляемом пуле (АТФ + УТФ). Высокая скорость обновления β-Р в этом пуле свидетельствует, что примерно 1 из 4 молекул нуклеотидфосфатов окисляется до мононуклеотида. В стационарном состоянии до 45 % поглощаемого фосфата проходит через нуклеотидный пул. Второе место по интенсивности вовлечения фосфата в метаболизм занимают реакции фосфорилирования глюкозы и триоз в гликолизе. Менее быстрые реакции включения Р — через фосфатидилхолин в состав фосфолипидов биомембран. Обновление «структурного» фосфата в со­ставе нуклеотидов, где АТФ — ключевое соединение, идет чрезвычайно мед­ленно, и содержание Р в ДНК достаточно стабильный показатель для вида. Доля Р в других формах фосфорсодержащих соединений от общего содержа­ния Р меняется в зависимости от типа ткани, возраста и фосфорного питания.

После заполнения пулов быстро обновляемого органического фосфата в клетке начинается накопление неорганического фосфата. За исключением стро­гого фосфорного голодания, цитозольная концентрация Ф_н поддерживается на постоянном уровне (5—10 мМ) независимо от экзогенной концентрации Ф_н. Постоянство концентрации Ф_н в цитозоле необходимо для обновления и поддержания химических пулов Р и протекания множества ферментативных реакций. Вакуолярная концентрация, напротив, широко варьирует: быстро воз­растает в ответ на улучшение фосфатного питания и снижается вплоть до нуля при фосфатном голодании. Максимальная концентрация в запасном пуле обычно не превышает 25 мМ.

Наиболее значительный прогресс в картировании внутриклеточных пулов Р был достигнут с применением ЯМР-спектроскопии. На рис. 6.36 представлен достаточно типичный спектр распределения Р между различными клеточными пулами, полученный для суспензионной культуры клеток моркови in vivo.

Рис. 6.36. Типичный спектр распределения фосфата между различными клеточными пулами, полученный для суспензионной культуры клеток моркови in vivo (no Carrol et al., 1994)

Фосфорилирование и дефосфорилирование белковых молекул — важней­ший способ регуляции их активности. Включение фосфата в молекулу белка приводит к перераспределению в ней электрических зарядов, модификации структуры и функций. Фосфорилирование белков регулирует активность мно­гих ферментов, синтез РНК и белка, как следствие — деление и дифференцировку клеток. Это способ быстрой регуляции метаболической активности на уровне клетки и тканей.

Активности ферментов синтеза Сахаров, аминокислот и изопреноидов, а также ферментов расщепления сахарозы и Н⁺-АТФаза Р-типа в цитозоле регулиру­ются обратимым фосфорилированием белковых молекул по серину/треонину.

Рассмотрим пример посттрансляционного контроля за распределением потоков С между сахарами и аминокислотами в ответ на действие факторов среды. Активность сахарофосфатсинтазы (СФС) может модулироваться разны­ми типами фосфорилирования. Если фотосинтез заингибирован, СФС инактивируется фосфорилированием по серину в положении 158. В ответ на водный стресс СФС активируется фосфорилированием по серину-424 через Са²⁺-зависимую киназу. Пул сахарозы и растворимых Сахаров при этом увеличивается.

Известен механизм более тонкой регуляции активности ферментов путем фосфорилирования, в котором принимает участие низкомолекулярный белок 14-3-3. Белки, фосфорилированные по серину, становятся мишенью для при­соединения 14-3-3-белка, который связывается с определенным фосфопептидом: Арг-Сер-Х-фосфоСер-Х-Про. После связывания белок-мишень меняет свои свойства: активность, стабильность, субклеточную локализацию и характер взаимодействия с другими белками. Такой тип регуляции — фосфорилирование по серину с последующим связыванием с 14-3-3-белком — установлен для многих ферментов: HP, ГС, СФС, ФЕПК, 3-ФГА-дегидрогеназы, Н⁺-АТФазы плазмалеммы и др.

У хорошо обеспеченных Ф_н растений большая часть поглощенного корня­ми фосфата транспортируется по ксилеме в более молодые листья. Радиальный транспорт по корню идет в виде фосфорных эфиров Сахаров. В ксилему фосфат загружается после дефосфорилирования Гл6Ф и по ксилеме транспортируется в виде Ф_н (см. рис. 6.23). Использование меченого фосфата показало, что он достигает ксилемы примерно за 8 мин. В зависимости от доступности в среде концентрация Ф_н в ксилеме варьирует от 1 до 7 мМ.

Наблюдается также быстрая ретранслокация Ф_н по флоэме. В экспериментах на растениях фасоли с разделенной корневой системой было показано, что через 6 ч после внесения меченого фосфата под одну часть корня он появляет­ся в другой части. Приблизительно половина Ф_н, ретранслоцированного из надземных органов в корни по флоэме, затем переносится в ксилему и возвра­щается обратно в листья. Если в ксилеме Р всегда транспортируется исключи­тельно как свободный фосфат, то во флоэме обнаруживаются значительные количества органического фосфора.