Молекулярная биология клетки. Том 1

S-Аденозилметионин Метильная

____________________________________________

1) Коферментами являются малые молекулы, связанные с некоторыми ферментами и необходимые для проявления их активности. Каждый из перечисленных коферментов представляет собой молекулу-переносчик для небольшой химической группы и участвует в различных реакциях, в которых эта группа переносится на другую молекулу. Некоторые коферменты присоединяются к ферментам с помощью ковалентных связей, другие связаны с ними менее прочно. Ковалентно связанные коферменты иногда называют простетическими группами ферментов.

тиоэфирной связью (рис. 2-19). Эта ацетильная группа легко переходит на другую молекулу, такую, например, как молекула жирной кислоты. Другой заслуживающий внимания пример - это биотип, осуществляющий во многих реакциях биосинтеза перенос карбоксильной группы (рис. 2- 30). Молекулы, подобные ацетил-СоА, биотину и АТР, называются коферментами, так как они тесно связаны с поверхностями различных ферментов и необходимы для проявления ферментативной активности. Многие коферменты не могут синтезироваться животными и должны поступать в организм с пищей (из растений и микроорганизмов). Витамины - важнейшие факторы питания, необходимые животным в следовых количествах - часто являются предшественниками требующихся коферментов.

Рис. 2-30. Перенос карбоксильной группы коферментом биотином. Биотин играет роль молекулы-переносчика карбоксильной группы (— СОО-). В показанной последовательности реакций биотин ковалентно связан с ферментом пируват-карбоксилазой. Активированная карбоксильная группа, происходящая из бикарбонат-иона (HCO3-), связывается с биотином в реакции, протекающей за счет энергии гидролиза АТР. Затем гидроксильная группа переносится к метильной группе пирувата с образованием оксалоацетата.

103

тельно, катаболические и биосинтетические пути могут регулироваться независимо друг от друга путем изменения количества NADH и NADPH соответственно.

2.4.5. Синтез биологических полимеров осуществляется путем повторения элементарных реакций дегидратации

Основными макромолекулами, синтезируемыми клетками, являются полинуклеотиды (ДНК и РНК), полисахариды и белки. Эти макромолекулы необычайно разнообразны по структуре и представляют собой наиболее сложные из известных молекул. Несмотря на это, они синтезируются из относительно небольшого числа малых молекул (называемых мономерами или субъединицами) с помощью ограниченного набора химических реакций.

Присоединение мономеров к белкам, полинуклеотидам и полисахаридам крайне упрощенно показано на рис. 2-33. Хотя в реакциях синтеза каждого полимера участвуют ковалентные связи разных типов, а также различные ферменты и кофакторы, тем не менее все эти реакции обнаруживают сильное сходство. Присоединение мономеров в каждом случае происходит путем реакции дегидратации - удаления молекулы воды из состава реагирующих соединений.

Как в обсуждавшемся ранее более общем случае (см. разд. 2.4.2), для

Рис. 2-33. Схематическое изображение реакций полимеризации, приводящих к синтезу биологических полимеров трех типов. В каждом случае при синтезе происходит потеря молекулы воды (дегидратация). На рисунке не отражен тот факт, что перед присоединением каждого из мономеров последние должны быть активированы высокоэнергетическими нуклеозидтрифосфатами. Обратная реакция - распад полимеров всех трех типов осуществляется путем простого присоединения молекул воды (гидролиз).

104

Рис. 2-34. Рост полимеров с головы и с хвоста.

образования указанных полимеров требуется химическая энергия, обеспечиваемая в конечном счете обычным путем сопряжения реакции биосинтеза с энергетически выгодной реакцией гидролиза нуклеозидтрифосфата. Для всех трех типов макромолекул по крайней мере один и:

вовлеченных в процесс нуклеозидтрифосфатов расщепляется с образованием пирофосфата, который в дальнейшем в свою очередь гидролизуется, поставляя дополнительное количество необходимой для реакции энергии (рис. 2-29).

Активированные промежуточные продукты реакций полимеризации могут быть ориентированы двояко, обусловливая полимеризацию либо «с хвоста», либо «с головы». При полимеризации «с головы» активированная связь находится на конце растущего полимера и, следовательно, должна регенерировать при каждом присоединении мономера В этом случае каждый мономер приносит с собой активированную группу, которая будет использована в реакции со следующим мономером данной последовательности (рис. 2-34). При полимеризации «с хвоста» активированная связь, которую несет с собой каждый новый мономер, будет использована для присоединения этого мономера. Для синтеза биополимеров используются оба типа полимеризации. В то время как синтез полинуклеотидов и некоторых простых полисахаридов происходит путем полимеризации «с хвоста», синтез белков осуществляется посредством полимеризации «с головы».

Заключение

Гидролиз АТР обычно сопряжен с энергетически невыгодными реакциями, такими, как биосинтез макромолекул, осуществляемый путем образования фосфорилированных промежуточных продуктов. Другие реакционноспособные молекулы-переносчики, называемые коферментами, переносят в ходе биосинтеза иные химические группы; например, NADPH переносит водород - в виде протона и двух электронов (гидрид-ион), а ацетил-СоА переносит ацетильные группы. Молекулы полимеров, такие, как белки и нуклеиновые кислоты, собираются из небольших активированных молекул-предшественников путем многократного повторения реакций дегидратации.

2.5. Координация катаболизма и биосинтеза [19]

2.5.1. Метаболизм - организуемый и регулируемый процесс

Некоторое представление о том, насколько мудро сконструирована клетка, если рассматривать ее как химическую машину, можно получить из рис. 2-35, где приведена карта, содержащая лишь часть всех метабо-

Рис. 2-35. Некоторые из химических реакций, протекающих в клетке. А. Около 500 общих метаболических реакций расходятся в разных направлениях от гликолитического пути и цикла лимонной кислоты (показаны более темной краской). Каждая химическая реакция представлена в виде сплошного кружка. Типичная клетка млекопитающего синтезирует более 10000 белков, большая часть которых - ферменты. На произвольно выбранном участке (выделен более светлой краской) этого сложного переплетения метаболических путей происходит синтез холестерола из ацетил-СоА. Справа и внизу от «лабиринта» этот участок показан более детально в увеличенном масштабе (Б). →

105

106

лических путей. Все эти многочисленные реакции происходят в клетке диаметр которой не превышает 0,1 мм, причем для каждой реакции требуются различные ферменты, которые сами являются продуктам целого ряда реакций переноса информации и синтеза белка. Возьмем любую малую молекулу, например аминокислоту серин; найдется с пол дюжины или более ферментов, способных химически видоизменять ее различными путями. Серин может связываться с AMP (аденилирование на стадии, предшествующей его включению в синтез белков, или расщепляться до глицина, или превращаться в пируват, прежде чем быть окисленным; он может быть ацетилирован с помощью ацетил-СоА или перенесен на жирную кислоту с образованием фосфатидилсерина. Bсе эти различные пути конкурируют за одну и ту же молекулу серина причем в это же время идет аналогичная конкурентная борьба за тысячи других малых молекул. Можно подумать, что система в целом нуждается в столь тонкой балансировке, что любое незначительное нарушение, например временное изменение рациона, приведет ее к гибели.

На самом же деле клетке присуща поразительная стабильность. При любых внешних воздействиях реакция клетки направлена на восстановление ее исходного состояния. Она может приспосабливаться и продолжать координированно функционировать во время голода или болезни. Мутации многих типов могут привести к элиминированию отдельных последовательностей реакций, и тем не менее клетка выживает при условии, что удовлетворяются определенные минимальные требования. Это возможно благодаря наличию сложной системы механизмов, регулирующих и координирующих химические реакции в клетках. Некоторые из более высоких уровней контроля рассматриваются в следующих главах. Здесь мы касаемся лишь простейших механизмов, которые регулируют поток малых молекул в различных метаболических путях клетки.

2.5.2. Метаболические пути регулируются изменениями ферментативной активности [20]

Концентрации различных малых молекул в клетке довольно устойчивы, что достигается регуляцией по принципу обратной связи. Регуляторные молекулы такого типа корректируют поток метаболитов по определенному метаболическому пути посредством временного увеличения или уменьшения активности ключевых ферментов. Например, первый фермент в той или иной последовательности реакций обычно ингибируется конечным продуктом этого метаболического пути по принципу отрицательной обратной связи; таким образом, если накапливается слишком много конечного продукта, дальнейшее поступление предшественников в данный метаболический путь автоматически ингибируется (рис. 2-36). В случае ветвления или пересечения метаболических путей, что происходит довольно часто, имеется, как правило, несколько точек, в которых осуществляется контроль различными конечными продуктами. Насколько важны такие процессы регуляции по принципу обратной связи, видно из рис. 2-37, где показана регуляция ферментативной активности в последовательностях реакций, ведущих к синтезу аминокислот.

Регуляция по принципу обратной связи может срабатывать почти мгновенно и является обратимой; кроме того, определенный конечный продукт может ингибировать ферменты, катализирующие его синтез, и при этом быть активатором ферментов другого метаболического пути Молекулярная основа такого типа контроля в клетках хорошо изучена, однако здесь мы данного вопроса касаться не будем, поскольку для

Рис. 2-36. Ингибирование по принципу обратной связи на одном биосинтетическом пути. Конечный продукт Z ингибирует первый фермент, необходимый для синтеза этого продукта, регулируя таким образом собственное содержание в клетке.

107

Рис. 2-37. Ингибирование по принципу обратной связи при синтезе аминокислот лизина, метионина, треонина и изолейцина у бактерий. Цветными стрелками показаны участки, в которых происходит ингибирование ферментов продуктами реакций. Отметим что начальную реакцию катализируют три различных фермента (называемые изофермептами), каждый из которых ингибируется своим конечным продуктом.

этого необходимо иметь представление о структуре белка. Поэтому мы отложим этот вопрос до гл. 3.

2.5.3. Катаболические реакции могут обращаться при поглощении энергии [21]

Крупномасштабные изменения, влияющие на метаболизм всей клетки, могут быть достигнуты регуляцией ключевых ферментов. Например, особая схема регуляции по принципу обратной связи позволяет клетке переключаться с расщепления глюкозы на ее биосинтез, или глюконеогенез. Потребность в таком обращении метаболического пути бывает особенно острой как в периоды напряженных тренировок, когда необходимая для мышечного сокращения глюкоза синтезируется в клетках печени, так и во время голодания, при котором глюкоза для выживания организма должна образовываться из жирных кислот и аминокислот. Обычный распад глюкозы до пирувата в процессе гликолиза катализируется несколькими различными последовательно действующими ферментами. Большинство реакций, катализируемых этими ферментами, легко обращается, однако три из них (стадии 1, 3 и 9 на рис. 2-20) фактически необратимы. На самом деле процесс расщепления глюкозы

108

Рис. 2-38. Сравнение реакций, ведущих к синтезу глюкозы в процессе глюконеогенеза, с реакциями расщепления глюкозы в ходе гликолиза. Реакции расщепления глюкозы (гликолитические реакции) энергетически выгодны (изменение свободной энергии меньше нуля), тогда как реакции синтеза протекают с затратой энергии. Для синтеза глюкозы необходимы различные ферменты обходного пути, шунтирующие реакции 1, 3 и 9 гликолиза. Общее направление протекания реакций между глюкозой и пируватом определяется контрольными механизмами, действующими по принципу обратной связи на указанных трех ключевых стадиях.

109

Рис. 2-39. Внезапное добавление глюкозы к экстракту, содержащему ферменты и коферменты гликолиза, может вызвать значительные флуктуации в концентрации определенных промежуточных продуктов, например NADH. Такие метаболические колебания могут быть, в частности, обусловлены регуляцией гликолитического фермента фосфофруктокиназы по принципу положительной обратной связи.

направляется обычно большим отрицательным изменением свободной энергии указанных реакций. Чтобы этот процесс протекал в противоположном направлении и происходило образование глюкозы из пирувата, вокруг каждой из этих реакций должен существовать обходной путь (шунт), причем реакции обходного пути должны идти «вверх» - процесс, происходящий с потреблением энергии (рис. 2-38). Таким образом, если при расщеплении одной молекулы глюкозы до двух молекул пирувата образуются две молекулы АТР, то для обращения реакции в процессе глюконеогенеза необходим гидролиз четырех молекул АТР и двух молекул GTP. Это эквивалентно гидролизу шести молекул АТР на каждую вновь синтезированную молекулу глюкозы.

Реакции обходного пути (рис. 2-38) должны жестко контролироваться, так чтобы глюкоза быстро расщеплялась в случае «энергетического голода», а синтезировалась тогда, когда клетка насыщена питательными веществами. Если бы прямые и обратные реакции могли протекать без ограничений, они впустую гоняли бы множество метаболитов туда и обратно через холостые циклы, потребляющие огромные количества АТР и бесполезно выделяющие тепло.

Изящество подобных механизмов контроля можно проиллюстрировать на одном примере. Этап 3 гликолиза представляет собой одну из реакций, которая должна быть шунтирована при образовании глюкозы. Обычно на этом этапе происходит присоединение к фруктозо-6-фосфату второй фосфатной группы из АТР; реакция катализируется ферментом фосфофруктокиназой. Этот фермент активируется AMP, ADP и неорганическим фосфатом, а ингибируется АТР, цитратом и жирными кислотами. Иначе говоря, фермент активируется, когда запасы энергии малы и накапливаются продукты распада АТР; инактивируется же он в том случае, когда имеются обильные запасы энергии (в форме АТР) либо питательных веществ в виде жирных кислот или цитрата (извлекаемого из аминокислот). Ферментом, катализирующим обращенную (обходную) реакцию (образование глюкозы в результате гидролиза фруктозо-1,6-бисфосфата до фруктозо-6-фосфата), является фруктозобисфосфатаза. Активность этого фермента регулируется по принципу обратной связи таким же образом, что и действие фосфофруктокиназы, но с противоположным эффектом, так что фруктозо-бисфосфатаза активна, когда неактивна фосфофруктокиназа.

Отметим, что фосфофруктокиназа активируется ADP, представляющим собой продукт катализируемой данным ферментом реакции (АТР + фруктозо-6-фосфат → ADP + фруктозе-1,6-бисфосфат), и ингибируется АТР - одним из субстратов этой реакции. В результате этот фермент может активировать сам себя, являясь объектом сложного контроля по принципу положительной обратной связи. При определенных условиях такой контроль по принципу обратной связи вызывает необычные колебания активности данного фермента, что приводит к соответствующим колебаниям концентраций различных промежуточных продуктов гликолиза (рис. 2-39). Физиологическое значение таких специфических колебаний неясно. Однако на их примере можно видеть, как благодаря нескольким ферментам может быть создан биологический осциллятор. Такие осцилляции в принципе могут служить своеобразными «внутренними часами», позволяющими клетке «отсчитывать время» и, к примеру, выполнять конкретные функции в определенные периоды.

2.5.4. Ферменты могут переходить в активное или неактивное состояние путем ковалентных модификаций [22]

Рассмотренные выше типы контроля по принципу обратной связи позволяют осуществлять непрерывную регуляцию скоростей протекания

110

метаболических последовательностей в ответ на ежесекундные флуктуации метаболизма. Кроме того, клетки обладают специальными регуляторными механизмами для ситуаций, в которых требуется продолжительное (от нескольких минут до нескольких часов) изменение активности ферментов. Такие механизмы включают в себя обратимые ковалентные модификации ферментов, которые часто (хотя и не всегда) достигаются присоединением фосфатной группы к специфическому (серии, треонин или тирозин) аминокислотному остатку фермента. Фосфат поступает от АТР, а его перенос катализируется ферментами, называемыми протеинкиназами.

В следующей главе мы рассмотрим вопрос о том, каким образом изменение формы фермента при фосфорилировании усиливает или подавляет его активность. Последующее удаление фосфатной группы, сводящее к нулю эффект фосфорилирования, достигается при помощи другого фермента, называемого фосфопротеин-фосфатазой. Ковалентная модификация ферментов - это регуляция в новом измерении, поскольку она делает возможной регуляцию специфических последовательностей реакций такими сигналами (например, гормонами), которые не являются промежуточными продуктами метаболизма.

2.5.5. Реакции компартментализованы как на уровне клеток, так и на уровне всего организма [23]

Не все метаболические реакции клетки протекают в одних и тех же субклеточных компартментах (обособленных субклеточных структурах). Поскольку различные ферменты находятся в разных компартментах клетки, поток химических компонентов направляется не только химическим, но и физическим путем.

Простейшая форма такого пространственного разобщения наблюдается, когда два фермента, катализирующие две последовательные реакции, образуют единый ферментный комплекс, и, следовательно, продукту первой ферментативной реакции не нужно диффундировать через цитоплазму, чтобы встретиться со вторым ферментом. Как только заканчивается первая реакция, сразу же начинается вторая. Некоторые крупные агрегаты ферментов осуществляют всю последовательность реакций, оставаясь в контакте с субстратом. Например, превращение пирувата в ацетил-СоА происходит в три этапа, каждый из которых протекает на одном и том же ферментном комплексе (рис. 2-40), a при синтезе жирной кислоты даже еще более длинная последовательность реакций катализируется единым ферментным ансамблем. Неудивительно, что некоторые из наиболее крупных ферментных комплексов ответственны за синтез макромолекул такого типа, как белки и ДНК.

На следующем уровне пространственного разобщения в клетке происходит концентрирование функционально связанных ферментов в одной и той же мембране или в ограниченных мембранами водим компартментах органелл. Проиллюстрировать это можно на примере метаболизма глюкозы (рис. 2-41). Образовавшийся в результате гликолиза пируват активно захватывается из цитозоля во внутренне пространство митохондрий, где имеются все ферменты и метаболиты цикла лимонной кислоты. Более того, сама внутренняя митохондриальная мембрана содержит все ферменты, катализирующие последовательные реакции окислительного фосфорилирования, включая реакции переноса электронов от NADH к О2 и реакции синтеза АТР. Следовательно, всю митохондрию можно считать небольшим заводом, производящим АТР. Аналогичным образом другие клеточные органеллы, такие, например, как ядро, аппарат Гольджи и лизосомы, можно рассматривать как специализированные компартменты, в которые за-

Рис. 2-40. Строение пируват-дегидрогеназы - крупного мультиферментного комплекса, в котором промежуточные продукты реакции переходят непосредственно от одного фермента к другому. Этот ферментный комплекс катализирует превращение пирувата в ацетил-СоА.