Адаптации каталитических систем

«Адаптация каталитических систем"

Биохимическая адаптация каталитических систем — это комплексный процесс, обеспечивающий выживание и функционирование клеток в условиях постоянно меняющейся внешней и внутренней среды. Адаптационные механизмы включают две ключевые стратегии: приспособление макромолекулярных компонентов клеток и жидкостей организма, а также приспособление микросреды, в которой функционируют макромолекулы. Эти стратегии обеспечивают эффективное функционирование каталитических систем на всех уровнях организации живого организма.

Первая стратегия: Приспособление макромолекулярных компонентов

Эта стратегия направлена на адаптацию молекулярной структуры клетки или жидкости организма через изменение либо концентрации существующих макромолекул, либо создание новых типов макромолекул. Она подразделяется на две категории:

1. Изменение концентраций уже существующих типов макромолекул

Снижение деградации макромолекул. Ингибирование протеолитических ферментов: В нормальных условиях многие белки разрушаются специальными ферментами — протеазами. Однако при необходимости снижения скорости разрушения белков эти ферменты могут ингибироваться.

Определённые посттрансляционные модификации, такие как убиквитинирование, могут замедлять разрушение белков. Например, удаление убиквитина с белка продлевает его срок жизни. Например, инсулин, высвобождаемый поджелудочной железой, быстро разрушается в крови, однако в некоторых случаях его распад может замедляться, что увеличивает его концентрацию и продлевает воздействие на клетки-мишени.

Также, макромолекулы могут мигрировать и накапливаться в тканях, активно секретируясь из одних клеток в кровь или межклеточное пространство, увеличивается их локальная концентрация. Примером служат гормоны, выделяемые эндокринными органами непосредственно в кровоток.

Макромолекулы накапливаются в специализированных органеллах (например, везикулах) до тех пор, пока не поступит сигнал к их высвобождению. Такой механизм встречается, например, у синаптических пузырьков в нервной системе, где нейротрансмиттеры хранятся до момента передачи сигнала.

Некоторые макромолекулы могут образовывать комплексы с другими веществами, что предотвращает их быстрый распад и сохраняет высокую концентрацию в крови или тканях:

• Комплексообразование с белками-переносчиками: Например, многие гормоны транспортируются кровью в комплексе с транспортными белками, что защищает их от преждевременного разрушения.

• Связь с рецепторами: Связываясь с рецепторами на поверхности клеток, некоторые макромолекулы временно фиксируются в определённом месте, что поддерживает их концентрацию на нужном уровне.

Пример: кортизол, стероидный гормон, связывается с транспортным белком транскортином, что позволяет ему дольше оставаться активным в кровотоке.

2. Образование макромолекул новых типов

Креатинкиназа состоит из двух субъединиц: M (от англ. muscle – "мышца") и B (от англ. brain – "мозг"). Комбинации этих субъединиц образуют изоформы креатинкиназы CK-BB, CK-MM и CK-MB. В результате повреждения клеточной мембраны вследствие гипоксии или других причин эти внутриклеточные ферменты попадают в системный кровоток и их активность увеличивается. В то время как изоформы CK-MM и CK-BB преобладают в мышечной и нервной ткани, креатинкиназа MB почти полностью находится в сердечной мышце. В крови здорового человека она присутствует в совсем незначительных количествах. Поэтому увеличение активности креатинкиназы MB – высокоспецифичный и чувствительный индикатор повреждения миокарда. Такой же принцип характерен и для других изоформ креатинкиназы.

Вторая стратегия: Приспособление микросреды

a) Специфичность действия ферментов

Специфичность определяет, какие именно химические реакции катализирует конкретный фермент. Существует несколько видов специфичности:

• Абсолютная (индивидуальная) специфичность: Фермент действует исключительно на один определенный субстрат (уреаза расщепляет мочевину, и ни на какой другой субстрат она не воздействует).

• Относительная (групповая) специфичность: Фермент может действовать на группу схожих по строению субстратов (пепсин способен гидролизовать различные пептидные связи в белках).

• Стереохимическая (пространственная) специфичность: Фермент взаимодействует только с теми молекулами, которые подходят ему по пространственной конфигурации.

б) Зависимость действия ферментов от температуры

Температура оказывает значительное влияние на активность ферментов. Оптимум температуры для большинства ферментов составляет около 36–40°C. При более низких температурах реакция замедляется, а при повышенных — начинается денатурация белка, приводящая к потере его активности.

в) Зависимость действия ферментов от pH среды

pH — ещё один ключевой параметр, влияющий на активность ферментов. Большинство ферментов проявляют максимальную активность при нейтральном pH (около 7,0), но есть исключения:

• Пепсин работает в желудочном соке при кислом pH (около 2,0).

• Трипсин проявляет активность в кишечнике при слабощелочном pH (около 8,0).

Значение pH влияет на заряд активных центров ферментов, что может изменять их способность связываться с субстратами.

• Амилаза слюны начинает работать в ротовой полости при pH около 7,0, но теряет активность в желудке, где pH падает ниже 3,0.

г) Зависимость действия ферментов от ингибиторов

Обратимое ингибирование: Например, конкурентные ингибиторы занимают активный центр фермента, мешая связыванию субстрата. Но при увеличении концентрации субстрата ингибитор вытесняется, и фермент снова начинает работать.

Необратимое ингибирование: Некоторые ингибиторы вызывают ковалентные изменения в структуре фермента, делая его неактивным навсегда. Примером может служить цианистый калий, который блокирует цитохромоксидазу, участвующую в дыхании клеток.

д) Зависимость действия ферментов от активаторов

Активаторы, напротив, повышают активность ферментов. Они могут действовать по-разному:

Прямая активация: Активатор может связываться с ферментом и увеличивать его каталитическую активность. Например, ионы кальция активируют некоторые ферменты, такие как кальмодулин.

Кофакторы: витамин B6 (пиридоксальфосфат) нужен многим ферментам для нормального функционирования.

Третья стратегия: Функциональная адаптация

Фосфорилирование/дефосфорилирование

Это один из самых распространенных механизмов регулирования активности ферментов. В процессе фосфорилирования к определённым аминокислотам белка (чаще всего серинам, треонинам или тирозинам) добавляется фосфатная группа. Дефосфорилирование, соответственно, заключается в удалении этой группы. Оба процесса осуществляются специализированными ферментами — киназами и фосфатазами. Гликогенфосфорилаза — фермент, ответственный за расщепление гликогена в печени и мышцах. Фосфорилированная форма этого фермента активна, тогда как дефосфорилированная — неактивна. Таким образом, уровень фосфорилирования гликогенфосфорилазы определяет доступность энергии в виде глюкозы.

Пространственное разделение

Некоторые ферменты могут находиться в одном состоянии активности в одном компартменте клетки и в другом — в другом. Пространственное распределение ферментов позволяет обеспечить целенаправленное использование ресурсов и управление сложными процессами. Ca²⁺-АТФаза расположена в эндоплазматическом ретикулуме и регулирует уровень кальция в цитоплазме. Её активность определяется потребностями клетки в Ca²⁺ для различных сигнальных путей.

Эти три стратегии позволяют клеткам и тканям эффективно реагировать на внешние изменения, поддерживая гомеостаз и обеспечивая выживание в сложных условиях.

Биохимическая составляющая и физиологический метаболизм

Катепсин L — это лизосомальный протеолитический фермент, который играет ключевую роль в деградации белков внутри клетки. В условиях острого воспаления, таких как сепсис, катепсин L может быть задействован на нескольких этапах.

Этап 1: Активация воспалительных клеток

При обнаружении антигенов макрофаги и нейтрофилы активируются и начинают высвобождать провоспалительные цитокины, такие как IL-1, IL-6 и TNF-α. Под влиянием цитокинов эндотелиальные клетки начинают экспрессировать адгезивные молекулы, такие как VCAM-1 и ICAM-1, которые привлекают дополнительные лейкоциты к очагу воспаления. Эти цитокины запускают каскад воспалительных реакций, включая активацию лизосомальных ферментов, таких как катепсин L.

Этап 2: Лизосомальная деградация

Под воздействием воспалительных сигналов катепсин L активируется и начинает разрушать белки, входящие в состав инфекционных агентов, а также поврежденные клеточные структуры. Это способствует очистке клеток от нежелательных материалов и подготовке их к восстановлению.

Этап 3: Противовоспалительное действие кортизола

Кортизол, высвобожденный в ответ на воспаление, оказывает противовоспалительное действие, подавляя активность провоспалительных цитокинов. Это может привести к временной инактивации катепсина L, что позволяет избежать чрезмерного разрушения здоровых клеточных структур.

Этап 4: Восстановление гомеостаза

По мере снижения воспаления и нормализации состояния организма, катепсин L возвращается к своей обычной функции — поддержанию внутриклеточного гомеостаза путем деградации ненужных или поврежденных белков.