Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая биология. Материалы к изучению курса
.pdf
4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
О МЕТАБОЛИЗМЕ И ФЕРМЕНТАХ
Метаболизм есть совокупность химических реакций синтеза (анаболизм) и распада (катаболизм) соединений, проте-
кающих в клетке.
Назначение метаболизма: 1) аккумуляция энергии; 2) синтез мономеров и макромолекул (с запасанием и затратой энергии); 3) совершение работы (механической, осмотической и
др.) с затратой энергии; 4) распад элементов
клетки для обновления структур; 5) синтез и распад специальных молекул
(гормоны, ферменты, кофакторы).
Цепи химических реакций с участием нескольких ферментов действующих последовательно, в результате которых исходные вещества через ряд промежуточных стадий превращаются в конечные продукты, образуют метаболические пути
(циклы), которые могут быть линейными и разветвленными.
Линейный
метаболический путь представляет собой мультиферментативный комплекс, связанный с мембраной. Линейный метаболический путь дает один конечный продукт. Саморегуляция осуществляется по принципу обратной отрицательной связи. Разветвленный метаболический путь — это мультиферментативная система в растворе, где ферменты тесно не
связаны между собой; в зависимости от условий в клетке могут образовываться разные конечные продукты. Для ферментов характерна специфичность, при которой в одном типе реакций используется один тип фермента. Ферменты резко увеличивают скорость реакций, снижая энергию активации. В реакции фермент не расходуется и не изменяется, поэтому его
малое количество преобразует большое количество субстрата.
40
4. Общие сведения о метаболизме и ферментах
Активность ферментов зависит от pH, температуры, плотности
и концентрации фермента и субстрата. Однако резкие сдвиги
pH и температуры являются повреждающими факторами и
приводят к денатурации ферментов. Молекулы большинства
ферментов имеют значительно больший молекулярный вес,
чем молекулы субстрата.
При взаимодействии субстрата и фермента образуется
временный фермент-субстратный комплекс, в котором участвует небольшая
часть молекулы фермента (3—12 аминокислот). Этот небольшой фрагмент называется активным центром фермента. Остальные аминокислоты молекулы фермента обеспечивают правильную глобулярную структуру его
формы для эффективной работы активного центра. Ферментсубстратный комплекс образуется по принципу индуцирован-
ного соответствия; при котором фермент и субстрат «подстраиваются» друг под друга, несколько изменяя
свои структуры.
Для эффективной работы фермента требуются небелковые
компоненты — кофакторы, которые сообщают им каталитическую активность. Кофакторы являются переносчиками электронов или атомов, которые передаются по всему метаболическому пути. К кофакторам относятся: 1) неорганические ио-
ны, 2) простетические группы (прочно связаны с ферментом),
3) коферменты (слабо связаны с ферментом). Известно, что
хлорид-ион, являясь кофактором, повышает активность амилазы. Кофактор гемоглобина и миоглобина гем (железосодержащая простетическая группа) переносит электроны и атомы
кислорода. Коферментами являются НАД (никотинамидадениндинуклеотид), НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) — производные никотиновой кислоты и АТФ (аденозинтрифосфат).
В метаболических реакциях возможно ингибирование
ферментов. Ингибирование конечным продуктом происходит
по принципу
отрицательной обратной связи, при этом накопление конечного продукта снижает сродство фермента к субстрату. При обратимом конкурентном ингибировании вещест-
41
Общая биология
во, близкое по структуре к субстрату, временно соединяется с
активным центром фермента и таким образом ингибирует деятельность фермента. Обратимое неконкурентное ингибирова-
ние осуществляется в том случае, если вещество временно
связывается с кофактором фермента, в результате изменяется
глобулярная структура фермента. Так, цианид связывается с
ионами металлов, играющими роль простетических групп.
Необратимое
ингибирование становится результатом взаимодействия малых концентраций ионов тяжелых металлов и
ферментов, так как происходит необратимое связывание с
сульфгидрильными группами (-SH), что вызывает осаждение
ферментного белка.
Ферменты разделяют на 6 классов:
1) оксидоредуктазы катализируют окислительно-восста-
новительные реакции, перенося электроны или атомы кислорода и водорода;
2) трансферазы катализируют реакции переноса метиль-
, ацильной, фосфатной групп и аминогруппы;
ной
3) гидролазы катализируют реакции гидролиза;
4) лиазы отщепляют от субстрата ту или иную группу с
образованием двойной связи или, наоборот, присоединяют
группы к двойным связям негидролитическими путями;
5) изомеразы катализируют внутримолекулярные перестройки;
6) лигазы (синтетазы) катализируют соединение двух молекул, сопряженное с расщеплением пирофосфатной
связи в
молекуле аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) или аналогичного трифосфата.
Ферменты находят широкое применение в промышленности. Так, амилазы используют в пивоварении для осахаривания содержащегося в солоде крахмала. Протеазы добавляют к
зубным пастам для облегчения снятия зубного налета, их используют при изготовлении мясных продуктов для смягчения
мяса и в
сыроделии. Ферменты также входят в состав детского
питания, фармацевтических препаратов, стиральных порошков и моющих средств.
42
4. Общие сведения о метаболизме и ферментах
Аэробные и анаэробные энергетические циклы
в живой природе
Отличие одних процессов от других заключается только в
том, что в анаэробных процессах акцептором электронов служит не кислород, а какое-либо другое соединение.
Аккумуляторами биологической энергии очень часто являются органические фосфаты. Энергия химических связей
АТФ используется на образование новых химических
связей,
на совершение работы или выделение теплоты.
Для любого организма характерно состояние высокой упорядоченности. Следовательно, имеются регулирующие метаболизм механизмы, каковых в процессе эволюции выработалась целая цепь. Регуляция на уровне отдельных реакций осуществляется по закону масс простейшими катализаторами и
ферментами. Регуляция систем многих сопряженных реакций
у высокоразвитых
организмов осуществляется, и на уровне
нервной и эндокринной систем. Рецепторы центральной нервной системы (ЦНС), расположенные повсюду, посылают в
ЦНС сигналы о состоянии клеток, а ЦНС регулирует активность клеток желез внутренней секреции (щитовидная железа,
кора надпочечников, поджелудочная железа и т.
д.), синтези-
рующих гормоны. Первоначально нервные импульсы воздействуют на гипоталамус, где синтезируются гормоны, регулирующие активность периферических желез. От места синтеза
гормоны с потоком крови и лимфы достигают клетки-мишени.
Гормоноподобные вещества синтезируются в клетках, не относящихся к железам внутренней секреции, и действуют в
местах образования, проникая к
месту действия путем диффузии (медиаторы). Гормоны действуют на ткани неодинаково,
что обусловлено разной чувствительностью тканей к ним.
Специфичность гормона по отношению к клеткам-мишеням
обусловлена наличием у клеток специфических рецепторов,
входящих в состав клеточных мембран. Рецепторы являются
гликопротеинами, их специфичность обусловлена углеводным
43
Общая биология
компонентом белка. В зависимости от того, где в клетке происходит передача информации, различают варианты действия
гормонов: мембранный, мембранно-внутриклеточный и цито-
зольный.
Мембранный тип действия реализуется в месте связывания
гормона с плазматической мембраной и заключается в избирательном изменении ее проницаемости. Таким путем обеспечивается трансмембранная регуляция переноса глюкозы
инсулином. Мембранно-внутриклеточный вариант заключается в
том, что гормон, не проникая в клетку, влияет на обмен в ней
через специального посредника. Одними из таковых являются
3'-5'-ц-АМФ и 3'-5'-ц-ГТФ — компоненты аденилатциклазной
системы. Эта система работает следующим образом: в цитоплазматическую мембрану клетки встроен фермент аденилатциклаза, состоящий из
трех субъединиц — узнающей, сопря-
гающей и каталитической. Присоединение гормона к рецеп-
тору вызывает активацию сопрягающей части, изменение
конфигурации в которой приводит к превращению ГДФ,
имеющегося в каталитической части, в ГТФ. Это приводит к
активации каталитического центра аденилатциклазы, и начинается синтез цАМФ-из АТФ. За время, которое гормон соединен
с рецептором, успевает синтезироваться от 10 до
100 молекул цАМФ. Циклические нуклеотиды активируют
протеинкиназы, цАМФ- или цГМФ-зависимые. Активированные протеинкиназы фосфорилируют за счет АТФ различные
белки, в результате чего меняются их активность и скорость
соответствующих обменных процессов в клетке. Одновременно протекают процессы распада циклических нуклеотидов при
участии фосфодиэстераз. Фосфорилированные белки (
фосфопротеиды) также дефосфорилируются фосфопротеинфосфатазами, цАМФ- и цГМФ-зависимые протеинкиназы фосфорилируют различные белки, следовательно, приводят к различным
эффектам в клетке, иногда противоположным.
Характер изменений метаболизма в клетке зависит не от
гормона, а от того, какими рецепторами клетка располагает.
Процесс, управляемый через аденилатциклазную систему, зависит от соотношения скоростей продукции
и распада цАМФ
44
4. Общие сведения о метаболизме и ферментах
5
и цГМФ. Возможна модуляция действия гормонов извне введением соответствующих препаратов, ингибирующих фосфодиэстеразы и приводящих к увеличению концентраций циклических нуклеотидов в клетке. Так, производные ксантинов кофеин, теофиллин, теобромин, эуфиллин ингибируют цАМФфосфодиэстеразу, способствуя накоплению цАМФ.
Цитозольный механизм действия заключается в том, что
гормоны липофильной природы способны проникать внутрь
клетки через мембрану и образовывать комплекс с рецепторами, находящимися в цитозоле. После этого комплекс проникает внутрь ядра и избирательно влияет на доступность для
транскрипции отдельных генов ДНК, воздействует таким образом на синтез мРНК и, соответственно, на синтез белковферментов, что влияет на метаболические процессы. Регуляция метаболизма
также может осуществляться через ферментативный аппарат посредством изменения количества фермента или в результате изменения его активности. Изменение активности фермента может проявляться на различных этапах
цепи превращений, эффекторами могут служить промежуточные продукты (метаболиты).
Присоединение метаболита (эффектора) приводит к изменению активности фермента. Активность ферментов изменяется в результате
их фосфорилирования и дефосфорилирования.
Биосинтез белка
Биосинтез белка осуществляется в результате двух последовательных этапов — транскрипции и трансляции. Транс-
крипция — это синтез всех видов РНК по матрице ДНК, осуществляемый ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой.
У прокариот синтез всех видов РНК осуществляется одним и
тем же ферментом. У
эукариот — три вида ядерной РНК-полимеразы, митохондриальные РНК-полимеразы, хлоропластные РНК-полимеразы. Субстратами для РНК-полимераз служат рибонуклеозид-трифосфаты (активированные нуклеотиды). Весь процесс транскрипции осуществляется за счет
энергии макроэргических связей активированных нуклеоти-
4
Общая биология
6
дов. Транскрипция происходит на основе принципов комплементарности, антипараллельности, униполярности, беззатравочности, асимметричности. РНК синтезируется комплементарно и антипараллельно транскрибируемой цепи ДНК. Рост
цепи РНК идет только в направлении 5'→3'. Для начала синтеза РНК фермент не нуждается в поли- или олигонуклеотидной
затравке. Первый нуклеотид в РНК всегда пуриновый, в
форме
трифосфата. Единицей транскрипции у прокариот является
оперон. В начале каждого оперона находится промотор, в конце — терминатор. Перед терминатором располагаются структурные гены, или цистроны. Между промотором и цистронами
может находиться оператор. Существуют моно-, олиго- и полицистронные опероны. Промотор — особая последовательность нуклеотидов ДНК, узнаваемая РНК-полимеразой,
и старт
для синтеза РНК. Терминатор — особая последовательность нуклеотидов ДНК, узнаваемая РНК-полимеразой
как финиш транскрипции.
Цистрон — последовательность нуклеотидов ДНК, коди-
рующая один полипептид (в большинстве случаев — белок),
или одну тРНК, или одну рРНК. В большинстве случаев цис-
троны объединяются в оперон по следующему принципу: закодированные в них белки принимают
участие в одной биохимической цепи реакций. Оператор — особая последовательность нуклеотидов ДНК, узнаваемая белком-репрессором.
Асимметричность заключается в том что, транскрибируются
обе цепи ДНК, но в каждом отдельном опероне только одна из
них. Какая именно цепь — определяется положением промотора и терминатора. Этапы транскрипции:
1) узнавание и прочное связывание;
2) инициация заключается в образовании первой фосфоди-
эфирной связи между пурин-трифосфатом (АТФ или ГТФ) и
следующим нуклеотидом;
3) элонгация — последовательное наращивание цепи РНК
(или продолжение транскрипции); скорость элонгации 40—
50 нукл./с;
4) терминация, завершающая процесс транскрипции. В
терминаторе много Г-Ц пар (с тремя водородными связями),
4
4. Общие сведения о метаболизме и ферментах
7
вследствие чего РНК-полимераза замедляет ход. Существует
множество ингибиторов транскрипции. Они действуют по
разным механизмам и на разных стадиях. Большинство из них
— антибиотики.
Негативная индукция Жакоба и Моно
Lac-оперон E. coli содержит три гена, отвечающие за обра-
зование белков, участвующих в переносе в клетку дисахарида
лактозы и в ее расщеплении:
Z-β-галактозидаза (расщепляет
лактозу на глюкозу и галактозу); Y-β-галактозидпермеаза (переносит лактозу через мембрану клетки); А-тиогалактозидтрансацетилаза (ацетилирует галактозу). В отсутствие в клетке
лактозы lac-оперон выключен; Активный белок — репрессор,
кодируемый в моноцистронном опероне (LacI), не имеющем
оператора, связан с оператором lac-оперона. Поскольку оператор перекрывается с
промотором, даже посадка РНК-полимеразы на промотор невозможна. Как только некоторое количество лактозы попадает в клетку, две молекулы субстрата (лактозы) взаимодействуют с белком-репрессором, изменяют его
конформацию — и он теряет сродство к оператору. Тут же начинаются транскрипция lac-оперона и трансляция образующейся мРНК; три синтезируемых белка участвуют
в утилизации лактозы. Когда вся лактоза переработана, очередная порция репрессора, свободного от лактозы, выключает lac-оперон.
Эта схема называется так потому, что контролирующим
транскрипцию фактором является негативный фактор, «вы-
ключатель» — белок-репрессор. Индукция (включение) происходит при потере сродства белка-репрессора к оператору.
Существует и позитивная регуляция работы lac-оперона
E. coli.
Позитивная индукция Аra-оперона Escherichia сoli
В Аra-оперон кишечной палочки входят три цистрона, которые кодируют ферменты, расщепляющие сахар арабинозу.
В норме оперон закрыт; белок-репрессор связан с оператором.
4
Общая биология
Когда в клетку попадает арабиноза, она взаимодействует с
белком-репрессором. Он меняет конформацию и превращается
из репрессора в активатор, взаимодействующий с промотором
и облегчающий посадку РНК-полимеразы на промотор. Эта
схема регуляции называется позитивной индукцией, поскольку
контролирующий элемент — белок-активатор — «включает»
работу оперона.
Особенности транскрипции эукариотических клеток
Единицей транскрипции
у эукариот является отдельный
ген, а не оперон, как у прокариот, а оператор отсутствует. Организация промотора отличается от таковой у прокариот.
На расстоянии 25 п.н. от первого нуклеотида находится
ТАТА-бокс. Его позиция определяет точку инициации транскрипции. На расстоянии 60—80 п.н. находится ЦААТ — бокс,
который не является абсолютно необходимым
, но присутствует перед большинством генов. Расстояние между ЦААТ и
ТАТА большое, и РНК-полимераза не способна накрыть всю
эту область. ЦААТ опознается своим белком, а ТАТА — своим. Помимо этих есть еще несколько белков, называемых базальными факторами транскрипции.
Базальные факторы транскрипции — белки, необходимые
для инициации транскрипции. Базальные факторы
транскрипции необходимы для ее инициации всеми тремя ядерными
РНК-полимеразами. У эукариот в ядре выделяют три типа
РНК-полимераз: РНК-полимераза I — синтезирует рРНК,
РНК-полимераза II — синтезирует мРНК, РНК-полимераза
III — синтезирует тРНК. РНК-полимеразы различаются количеством субъединиц, их аминокислотным составом и зависимостью от катионов магния и марганца. Для
и III необходимое для работы соотношение [Mn
Для РНК-полимеразы II — [Mn
2+
]/[Mg
РНК-полимераз I
2+
2+
] = 5. Наиболее яркое
]/[Mg2+] = 2.
различие между полимеразами — чувствительность к токсину
бледной поганки. Он полностью подавляет работу РНК-полимеразы II и РНК-полимеразы III. РНК-полимераза I факти-
48
4. Общие сведения о метаболизме и ферментах
чески нечувствительна к этому токсину. Помимо ядерных
РНК-полимераз у эукариот есть еще РНК-полимеразы хлоропластов и митохондрий. Они кодируются в ядре, а не в соответствующих органеллах. В органеллах образуются свои
тРНК, рРНК и рибосомные белки.
Для любого гена, кодирующего белок, есть энхансеры
(усилители). Энхансеры — последовательности ДНК, усили
вающие транскрипцию при взаимодействии со специфическими белками. Все соматические клетки многоклеточного эукариотического организма имеют абсолютно одинаковый набор
генов. Тем не менее клетки дифференцированы и специализированы, потому что все гены работают на фоновом уровне и
не имеют фенотипического проявления. Экспрессируются
лишь те гены, у которых все энхансерные модули
узнаны
своими белками, и эти белки взаимодействуют друг с другом.
Кроме энхансеров есть сайленсеры (ослабители). Сайленсеры
— последовательности ДНК, ослабляющие транскрипцию при
взаимодействии с белками. При соответствующем наборе белков экспрессия отдельных генов в клетке может быть подавлена.
Синтез белка в клетке (трансляция) состоит из двух эта-
пов: рекогниции и собственно
синтеза полипептида на рибосоме. Ключевым субстратом рекогниции является транспортная РНК. Рекогниция — это подготовительный этап трансляции, суть которого — в образовании ковалентной связи между
тРНК и соответствующей аминокислотой. Рекогниция состоит
из двух стадий: активирование аминокислоты и присоедине-
ние аминокислоты к тРНК — аминоацилирование. Обе стадии
рекогниции осуществляются ферментом аминоацил-тРНК
синтетазой (APC-азой, кодазой). Существует 20 вариантов
кодаз (по числу аминокислот). У каждой кодазы три центра
опознавания. Каждая АРС-аза узнает третичную структуру
тРНК. Аминоацилирование — это образование связи между
аминокислотой и тPHК. Следующий этап трансляции — собственно синтез полипептидов, который происходит на рибосомах.
Синтез полипептидов на рибосоме. У прокариот перед
ка-
ждым геном и, соответственно, в мРНК перед копией каждого
гена имеется лидерная последовательность. Она может быть
-
-
49
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]