Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основные механизмы регуляции метаболизма микроорганизмов. Учебное пособие
.pdf
11
недостатка внешних физических воздействий: температуры, света, звука и
др.), с изменениями в наследственном аппарате организма, а также
вызванные изменениями в составе субстратов или полученные в результате
мутагенеза, что широко используют в практических целях. Так, добавляя в
питательную среду дрожжей сульфит натрия, удается переключить
алкогольное брожение на глицериновое и создать на этой основе
биотехнологию получения глицерина. Также в микробиологической
промышленности широко используют полученные селекцией штаммы
микроорганизмов – суперпродуценты отдельных аминокислот, антибиотиков
и др. Методы генной инженерии позволяют избирательно изменять
наследственный аппарат клеток и благодаря этому целенаправленно
воздействовать на структуру и динамику обмена веществ у организмов.
12
2 Регуляция активности ферментов
Одним из уникальных свойств живых организмов является
сбалансированность катаболических и анаболических процессов. В клетках
одновременно совершаются процессы синтеза и распада, взаимопревращения
сотен и тысячи веществ, которые регулируются множеством регуляторных
механизмов, обеспечивающих постоянство внутренней среды организма.
Среди всех механизмов важная роль принадлежит механизмам регуляции
активности ферментов.
Факторы, оказывающие влияние на активность ферментов,
разнообразны по своей природе (рисунок 1) и ранее мы кратко
останавливались на каждом из них. Теперь рассмотрим более подробно
возможные регуляторные воздействия на уровень клеточных метаболитов.
2.1 Аллостерическая регуляция
Наиболее быстрым, точным и тонким механизмом регуляции
активности ферментов является регуляция, которой подвергается
определенный тип ферментов, получивших название аллостерических. Эти
ферменты, как правило, занимают ключевые позиции в обмене веществ,
располагаясь в «стратегических» пунктах клеточного метаболизма – начале
метаболических путей или местах разветвлений, где расходятся или сходятся
несколько путей.
Аллостерические ферменты представляют собой олигомеры,
состоящие из двух, четырех, шести или более идентичных или различных
субъединиц.
Аллостерические ферменты имеют каталитический и регуляторный
(аллостерический) центры, пространственно разобщенные, но
функционально тесно взаимосвязанные.
13
Рисунок 1 – Регуляторные воздействия на уровень клеточных
метаболитов (продуктов)
Каталитическая активность фермента меняется в результате
связывания с его регуляторным центром определенных метаболитов,
называемых эффекторами. Кроме конечных продуктов данного пути,
эффекторами могут быть субстраты ферментов, а также некоторые конечные
продукты родственных метаболических путей.
Если действие эффектора приводит к понижению каталитической
активности фермента, такой эффектор называется отрицательным, или
ингибитором. Положительным называют эффектор, действие которого
14
повышает каталитическую активность фермента. Положительным
эффектором, или активатором, чаще всего бывает субстрат данного
фермента.
Одна из характерных особенностей аллостерическнх ферментов – их
необычные кинетические характеристики. Для аллостерическнх ферментов
график зависимости скорости реакции от концентрации субстрата
представляет собой сигмоидную кривую, а не гиперболу, как для ферментов,
кинетика которых подчиняется уравнению Михаэлиса-Ментен. Так, кинетика
реакции, катализируемой аспартаттранскарбамилазой, представлена на
рисунке 2. СТР (цитозинтрифосфат) является отрицательным эффектором
этого фермента и при средних концентрациях аспартата наблюдается
значительное уменьшение скорости реакции, вызванное добавлением 0,2 мМ
СТР.
Рисунок 2 – Зависимость активности аспартаттранскарбамилазы от
концентрации аспартата
Сигмоидная форма кривой зависимости скорости реакции от
концентрации субстрата объясняется явлением кооперативного
взаимодействия. Предполагают, что в отсутствие субстрата активные центры
15
ферментов обладают низкой каталитической активностью. Однако при
взаимодействии с субстратом активные центры изменяют свою
конформацию таким образом, что становятся каталитически активными, и в
результате происходит ферментативная реакция (модель индуцированного
соответствия Кошланда) (рисунок 3).
Рисунок 3 – Модель индуцированного соответствия Кошланда
Согласно этой модели, степень сродства определенного активного
центра фермента к субстрату также может изменяться. Активный центр
может существовать в двух формах, по-разному подверженных
конформационным изменениям в присутствии субстрата. Эти формы
соответствуют состояниям низкого или высокого сродства фермента к
субстрату. Повышение активности фермента при кооперативном
взаимодействии в таком случае означает, что молекула субстрата,
присоединившись к одной субъединице олигомерного фермента,
воздействует на активные центры других субъединиц, которые при этом
переходят из состояния низкого сродства к субстрату в состояние высокого
сродства. В соответствии с этим отрицательный эффектор (СТР на рисунке
2), связанный с аллостерическим центром одной из субъединиц фермента, не
только удерживает активный центр этой субъединицы в состоянии низкого
16
сродства к субстрату, но и препятствует переходу активных центров других
субъединиц молекулы стояния низкого сродства к субстрату в состояние
высокого сродства. Положительный эффектор оказывает противоположенное
действие.
Таким образом связывание эффектора с регуляторным центром
приводит к изменению сродства фермента к субстрату в результате
конформационного изменения фермента (рисунок 4).
Рисунок 4 – Связывание субстрата с ферментом (А) и действие
отрицательного (Б) и положительного (В) эффектора на каталитическую
активность аллостерического фермента
17
Для объяснения кооперативного взаимодействия были предложены
две модели: модель согласованной симметрии (равновесная модель) Моно и
сотрудников и модель последовательного взаимодействия (модель
взаимодействий), предложенная Кошландом и сотрудниками. Согласно
модели согласованной симметрии (рисунок 5), олигомерный фермент
существует в виде равновесной смеси двух форм: T-состояния, когда все
субъединицы находятся в состоянии низкого сродства к субстрату, и R-
состояния, когда все субъединицы находятся в состоянии высокого сродства
к субстрату. Эффекторы сдвигают это равновесие в ту или другую
сторону.
Рисунок 5 – Модель согласованной симметрии (равновесная модель)
Моно и сотрудников
Модель взаимодействий по Кошланду (рисунок 6) предполагает
существование промежуточных состояний фермента, при которых, например,
две субъединицы тетрамерного фермента обладают высоким сродством к
субстрату, а две другие – низким. Положительный эффектор увеличивает
количество субъединиц, находящихся в состоянии высокого сродства к
субстрату, а отрицательный – уменьшает число этих субъединиц.
Наиболее простой случай аллостерической регуляции – регуляция
первого фермента неразветвленного биосинтетического пути его конечным
продуктом по типу обратной связи:
18
Если какой-либо мономер синтезируется в количествах, больших, чем
это необходимо для синтеза полимера, недостаточно просто остановить
синтез ферментов, участвующих в этом процессе, – надо также немедленно
уменьшить синтез самого мономера. Конечный продукт реакции при
накоплении в клетке ингибирует активность фермента, катализирующего
первую стадию его образования.
Рисунок 6 – Модель последовательного взаимодействия (модель
взаимодействий) Кошланда и сотрудников
Примером такого типа регулирования является ингибирование
биосинтеза L-изолейцина (рисунок 7). Так, если изолейцин синтезируется в
избытке, он ингибирует активность фермента первой стадии своего
биосинтеза, L-треониндезаминазы, который является аллостерическим и
ингибируется только L-изолейцином.
Вторым примером может являться подавление активности
аспартаттранскарбамилазы СТР (цитозинтрифосфат). Если пиримидиновые
нуклеотиды накапливаются в клетке, СТР подавляет активность
аспартаттранскарбамилазы (аспартаткарбамоилтрансферазы), фермента,
катализирующего первую стадию их биосинтеза:
19
Как только ингибируется активность треониндезаминазы и
аспартаттранскарбамилазы, ферменты последующих этапов
метаболитического пути лишаются субстратов и синтез мономера
прекращается.
Установлено, что поток субстратов для большинства
биосинтетических путей регулируется путем ингибирования по типу
обратной связи.
ф
– треониндезаминаза; ф2 – ф5 – ферменты, катализирующие
1
промежуточные стадии биосинтеза L-изолейцина из α-кетомасляной кислоты
(α-оксобутират). Стрелкой показано ингибирование треониндезамнназы Lизолейцином. А, Б, В- промежуточные продукты биосинтеза
Рисунок 7 – Регуляция биосинтеза L-изолейцина по механизму
отрицательной обратной связи
20
Для разветвленных путей биосинтеза (а к таким относится
большинство биосинтетических путей) механизмы регуляции усложняются,
так как от активности первого фермента зависит биосинтез нескольких
конечных продуктов.
Очевидно следующее: механизмы регулирования в этом случае
должны быть видоизменены таким образом, чтобы перепроизводство одного
конечного продукта не приводило к прекращению синтеза других связанных
с ним конечных продуктов.
Выработалось несколько механизмов контроля по принципу обратной
связи применительно к разветвленным биосинтетическим путям. Они
сводятся к тому, что в этом случае в регулировании принимают участие все
конечные продукты этих путей (рисунок 8).
Стрелками обозначены ферменты: параллельными стрелками –
изоферменты; жирными стрелками – ингибирование конечными продуктами
первого фермента или изоферментов. А – исходный субстрат; Б –
промежуточный метаболит; В, Г, Д – конечные продукты.
Рисунок 8 – Схема регуляции разветвленных биосинтетических
путей: 1 – первого фермента несколькими конечными продуктами; 2 –
конечными продуктами изоферментов.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]