книги из ГПНТБ / Кретович В.Л. Введение в энзимологию

В настоящее время число ферментов, для которых показана множественность молекулярных форм, весьма велико. Кроме лактатдегидрогеназы присутствие нескольких изоферментов по­ казано для алкогольдегидрогеиазы, каталазы, амилазы, малатдегидрогеназы, изоцитратдегидрогеназы, инвертазы, пектииэстеразы, ряда протеолитических ферментов, еыолазы, лейципаминопептидазы и т. д. Ферменты, участвующие в передаче нервного возбуждения (например, холинэстераза) и осуществляющие кон­ троль общих стадий синтеза и распада алифатических и аромати­ ческих аминокислот, также представлены несколькими изофер­ ментами.

Выявление молекулярной гетерогенности ферментов ставит новые вопросы, связанные с генетической регуляцией синтеза белка, и открывает новые возможности для исследования факто­ ров, регулирующих синтез ферментов. В настоящее время доста­ точно твердо установлено, что изоэнзимы целого ряда ферментов представляют собой белки с различной первичной структурой (например, лактатдегидрогеназа, эстераза, алкогольдегидрогеиаза, щелочная фосфатаза и т. д.). Исходя из современных пред­ ставлений о синтезе белка, можно предположить, что синтез каж­ дого изоэнзима или в некоторых случаях каждой субъединицы, из которых состоит данный изоэнзим, должен контролироваться отдельным структурным геном. Действительно, генетический и биохимический анализы изоэпзимиого состава, например лактатдегидрогеназы, у ряда поколений различных животных привел к заключению, что синтез М- и Н-субъединиц этого фермента кон­ тролируется двумя структурными генами, обозначенными о и !). Каждый из этих генов имеет отдельный регуляторный ген. У ря­ да животных, даже на ранних стадиях развития зародыша, ак­ тивны по крайней мере два гена, определяющие синтез лактатдегидрогеназы. Но на ранних этапах развития более активен ген Ь, поэтому в тканях зародыша, как правило, преобладает Н-тип лактатдегидрогеназы. По мере дифференциации и специа­ лизации клеток изменяется относительная активность генов а и Ъ, и в каждой ткани образуется присущий ей набор изоэнзимов данного фермента.

Пока еще мало что известно относительно механизма регуля­ ции активности генов, контролиручощих синтез изоэнзимов дан­ ного фермента. Однако даже те немногие данные, которыми мы располагаем, представляют значительный интерес. Оказалось, что в ряде случаев скорость синтеза лактатдегидрогеназы регу­ лируется концентрацией кислорода.

Эта регуляция особенно заметна, если при этом сравнивать синтез М- и Н-субъединиц фермента. В культуре ткани клеток некоторых органов животных при уменьшении давления кисло­ рода ниже определенного уровня повышается синтез М-субъеди-

297

Изменение концентрации кислорода у большинства клеток вызывает довольно резкий сдвиг характера обмена веществ. Низкие концентрации кислорода увеличивают активность глнколитнческих ферментов и, следовательно, способствуют образова­ нию молочной кислоты. Синтез М-субъедпппц лактатдегпдрогеназы при пониженных концентрациях кислорода подавляется актиномицином D, который, как известно, блокирует процесс образо­ вания соответствующей м-І’ІІК. Таким образом можно предпо­ ложить, что кислород или какое-то его производное может быть репрессором синтеза М-субъедипиц лактатдегидрогепазы. Нару­ шая синтез м-РНК, кислород может таким путем регулировать синтез данного изофермента на генном уровне. Все эти данные ясно показывают, что синтез изоферментов регулируется разными генами и, следовательно, осуществляется при участии различных м-РНК.

В связи с расширением наших представлений о биосинтезе фер­ ментов и в особенности изоферментов необходимо внести изме­ нение в основное положение, касающееся генной регуляции син­ теза ферментов, выражаемое формулой «одни геи — одни фермент». Тезис «один геи — одна полипептидная цепь» носит более общий характер и объясняет образование нескольких нзоферментов, катализирующих одну и ту же реакцию, по отличающихся пер­ вичной структурой и целым рядом свойств.

Л и т е р а т у р а

Анфинсен К. Молекулярные основы эволюции. М., ШІ, 1962.

Бах А. Н., Опарин А. JL, Венер Р. А. Количественные изменения ферментов

в зреющих, покоящихся и прорастающих зернах пшеницы.— «Сборник раоот по чистой п прикладной химии». Пзд. ИТО ВСНХ, М., 1926.

Гумилевская Н. А., Куваева Е. Б., Чумикина Л. В., Кретович В. Л. Плаву­

чая плотность рибосом и их субъедпныц, выделенных пз покоящихся и прорастающих семян гороха.— Биохимия, 1972, 37, 629.

Жакоб Ф., Моно Ж. Биохимические и генетические механизмы регуляции

в бактериальной клетке.— В кн. «Молекулярная биология. Проблемы и перспективы». М., «Наука», 1964, стр. 14.

Кретович В. Л. Обмен азота в растениях. М., «Наука», 1972.

Опарин А. И. The origin of life and the origin of enzymes.— Advances Enzynml., 1965, 27, 347.

Уилкинсон Д. Изоферменты. M., «Мир», 1968.

Шанжё Ж. П. Регуляция биохимических реакций.— В сб. «Молекулы и клет­

ки». М., «Мир», 1966, стр. 77.

Шлегель Г. Общая микробиология. М., «Мир», 1972.

Dienert F. Sur la fermentation du galactose et sur l ’accoutumance des levures

â ce sucre.— Ann. Inst. Pasteur, 1900, 14, 139.

Goodfriend T. L., Sokol D. M., Kaplan N. 0. Control of synthesis of lactic acid dehydrogenases.— J. Molecul. Biol., 1966, 15, 8.

Gottlieb D. Germination of fungus spores.— Endeavour, 1964, 23, 85. Harris II. Genes and isosymes. Proc. Royal Soc., Series B, 1969, 174, 1.

Jakob F. Genetik der Bacterienzelle (Nobel-Vortrag) — Angew. Chemie, 1966,

78, 14, 704.

Jakob F., Monod J. Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of pro­ teins.— J. Molec. Biol., 1961, 3, 318.

298

Г л а в а 1 1

РЕГУЛИРОВАНИЕ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ В ОРГАНИЗМЕ

Каждый одноклеточный или многоклеточный организм ха­ рактеризуется свойственным ему характером обмена веществ, сложившимся в процессе эволюции живого мира, в процессе взаимодействия с внешней средой и приспособления к условиям существования. Свойственный данному организму характер об­ мена веществ определяется его генетической природой, от кото­ рой зависит специфический для пего набор ферментов и соотно­ шение скоростей отдельных ферментативных процессов, неразрыв­ но связанных между собой. Поразительным свойством живого организма является его способность к саморегулированию при изменении условий внешней среды, условий существования. Это саморегулирование осуществляется двумя путями: регулирова­ нием синтеза ферментов и регулированием их активности. Мы уже рассмотрели ранее в главах 9 и 10 механизм синтеза белков и ферментов, а также современные представления о молекулярпом механизме регулирования биосинтеза ферментов в клетке. В дан­ ной главе рассматриваются вопросы, связанные с регулированием активности ферментов.

Факторы, от которых зависит активность ферментов в организ­ ме, так же разнообразны, как могут быть разнообразны условия его существования. Это прежде всего водный, газовый, температур­ ный, кислотный и световой режим среды. Далее это регулирую­ щее действие самих ферментов, концентрация субстратов и раз­ личных кофакторов, необходимых для действия ферментов, нали­ чие активаторов и ингибиторов, концентрация метаболитов, связывание ферментов на различных клеточных структурах и, наконец, у высших многоклеточных организмов это нервная и гормональная регуляция ферментативной активности.

Прекрасным примером значения оводнепиости тканей как фактора, регулирующего активность ферментов, является влия­ ние влажности семян на их жизнедеятельность и ферментативную активность. Действительно, уже небольшое повышение влажности сухих семян вызывает резкое усиление интенсивности дыхания как интегрального показателя жизнедеятельности. На рис. 98 представлены данные о влиянии влажности на интенсивность дыхания семян проса. Зерно с влажностью 14—15% дышит в 2— 4 раза интенсивнее, чем зерно сухое, с влажностью менее 14%; сырое зерно, с влажностью, превышающей 17%, дышит в 20— 30 раз энергичнее сухого.

300

в анаэробных условиях, расходуют значительно больше органи­ ческого вещества, чем те же яблоки при их хранении в воздухе. Изменение химизма дыхания при понижении концентрации кис­ лорода и переход к анаэробному типу дыхания проявляются преж­ де всего в изменении дыхательного газообмена и в возрастании дыхательного коэффициента. Так, повышение содержания в воз­ духе углекислого газа вызывает постепенное увеличение дыхатель­ ного коэффициента у яблок. При понижении содержания в воз­ духе кислорода, начиная с 5% и ниже, у корпя моркови происхо­ дит постепенное возрастание дыхательного коэффициента с 0,82 при содержании кислорода в воздухе, равном 5%. до 3,5 при содержании кислорода, равно,м I 0«. Изменение дыхательного коэффициента при переходе к анаэробному дыханию сопровож­ дается накоплением продуктов неполного окисления углево­ дов — молочной и других органических кислот, ацетальдегида, спирта.

Главным фактором эффекта Пастера является отношение (АДФ + Ф н е о р г ) /А Т Ф ; основную роль играют изменения кон­ центрации АДФ в клетке. Эти изменения, как на это впервые ука­ зали В. А. Энгельгардт и II. Е. Саков, оказывают решающее влияние на активность фермента фосфофруктокиназы (2.7.1.11), катализирующего в процессе гликолиза реакцию фосфорилиро­ вания фруктозо-6 -фосфата:

АТФ + D-фруктозо-б-фосфат = АДФ D-фруктозо-1,6-дпфосфат.

Активность фосфофруктокиназы стимулируется АДФ и ин­

Прекрасный критический очерк развития и современного со­ стояния проблемы регуляторной роли эффекта Пастера был сделан недавно одним из крупнейших современных биохимиков Г. А. Кребсом.

Значение температуры как фактора, регулирующего течение ферментативных процессов, мы рассмотрим на примере взаимо­ превращений углеводов в хранящемся картофеле. Из практики хорошо известно, что картофель, хранящийся при низких тем­ пературах — от 0 до + 9°, становится сладким. При этом проис­ ходит снижение содержания крахмала и глюкозо-6 -фосфата и

При перенесении картофеля в условия более высокой темпе­ ратуры происходит обратный процесс — превращение сахарозы, образовавшейся при пониженной температуре, в крахмал.

Эти взаимопревращения крахмала и сахарозы происходят следующим путем:

Сахароза + УДФ ==ь УДФглюкоза -f- D-фруктоза и далее : УДФглюкоза + затравка =Ä УДФ + крахмал

(а-1,4-глюкознл) (а-1,4-глюкозил)п+1

Превращение сахарозы в уридиндифосфатглюкозу катализиру­ ется ферментом сахароза-УДФ — глюкозилтрансферазой (2.4.1.13),

303

Рис. 101. Кристаллы ин­ гибитора трипсина на поджелудочн ой железы, ун. и 225 раз (по Д .Нортропу, М. Купитцу и Р. Херрпотту)

а синтез крахмала из уридшідпфосфатглюкозы — ферментом гликоген-УДФ — глюкозплтрансферазой (2.4.1.11).

Мы уже отмечали в главе 8 , что ряд ферментов, например трипсин и хпмотрипсин, синтезируется в виде неактивных форм — зпмогенов, которые превращаются в каталитически активную форму уже в пищеварительном тракте в результате ферментатив­ ного расщепления одной единственной пептидной связи. Таким образом, в этом случае мы имеем пример того, что активность фер­ мента и необходимое в данный момент количество его активной формы регулируются самим ферментом. Видимо, синтез протео­ литического фермента в виде зимогена и образование из него под влиянием протеазы каталитически активной формы имеет большое биологическое значение для регулирования процесса пищеваре­ ния в желудочно-кишечном тракте.

Регулирование ферментов в пищеварительном тракте осуще­ ствляется не только путем превращения зимогена в каталитиче­ ски активный фермент, но и путем связывания ферментов с осо­ быми природными ингибиторами. Уже давно в слизистой обо­ лочке желудочно-кишечного тракта были найдены вещества, ингибирующие действие пепсина и трипсина. Действием этих ингибиторов А. Я. Данилевский объяснял тот факт, что протео­ литические ферменты не переваривают стенок желудка и кишеч­ ника. Весьма активные ингибиторы протеаз найдены также в се­ менах бобовых растений. Так, семена сои и бобов содержат мощ­ ный ингибитор трипсина. Д. Нортроп с сотрудниками получили в кристаллическом состоянии и подробно исследовали ингибитор пепсина из свиного желудка и ингибиторы трипсина из поджелу­ дочной железы и семян сои. На рис. 101 представлены кристаллы

ш

ингибитора трипсина, выделенного из поджелудочной железы. Все эти ингибиторы протеаз представляют собой высокомоле­ кулярные пептиды и.тп сравнительно низкомолекулярные белки.

Так, например, ингибитор трипсина из поджелудочной железы состоит из 57 аминокислотных остатков, в том числе шести остат­ ков цистеина, образующих три дисульфидные связи (схема 46).

Ингибиторы протеаз могут существовать в виде различных молекулярных форм. В частности, из семян фасоли недавно вы­ делены три изоингибитора трипсина, несколько различающиеся между собой по аминокислотному составу и ингибирующей ак­ тивности по отношению к трипсину.

Действие подобных ингибиторов белковой природы заключа­ ется в том, что они образуют комплексы с соответствующей про­ теазой и тем самым инактивируют ее.

Действие любого фермента зависит от наличия субстрата, не­ обходимого для проявления его каталитической активности. Некоторые сложные ферментативные процессы регулируются концентрацией субстрата, участвующего в первой ферментатив­ ной реакции, с которой начинается вся последовательная цепь превращений. Высшие животные способны контролировать кон­ центрацию субстратов в различных тканях и таким образом регу­ лировать ферментативные процессы. Так, например, концентра­ ция жирных кислот в плазме крови некоторых животных является

общий субстрат, то при его недостаточной концентрации проис­ ходит как бы соревнование ферментов за субстрат. При этом большую активность будет проявлять тот фермент, который обла­ дает большим сродством к субстрату, и направление дальнейших превращении субстрата будет зависеть от его концентрации.

305