Регуляция метаболизма

Для обеспечения высокой экономичности биохимических процессов в клетке в процессе эволюции образовалось множество эффективных механизмов регуляции метаболизма. Это прежде всего касается ферментных белков, их синтеза и функционирования.

Выделяют следующие виды внутриклеточной регуляции:

1) регуляция метаболитами:при постоянном количестве ферментов и соотношении их активностей изменяется концентрация промежуточных продуктов метаболизма, что определяет тот или иной путь обмена, например, регуляцию дыхания.

2) ферментная регуляция:осуществляется путем изменения активности ферментов без изменения их количеств, при этом на молекулы ферментов действуют регулирующие факторы. Каталитическая активность может увеличиваться под влиянием положительного эффектора –активатораили уменьшаться под действием отрицательного эффектора –ингибитора.Ферменты, занимающие ключевые позиции в биосинтезе, в большинстве случаев являются регуляторными. У регуляторных ферментов кроме каталитических центров, предназначенных для связывания субстрата, естьаллостерические центры– места связывания активаторов и ингибиторов. Если конечный продукт того или иного метаболического пути начинает накапливаться в клетке в количествах, превышающих ее потребности, он может действовать как аллостерический ингибитор, что приводит к ингибированию активного фермента. В результате уменьшается или даже приостанавливается дальнейшее образование самого конечного продукта (ингибирование конечным продуктом или ретроингибирование). Механизм аллостерического ингибирования состоит в том, что конечный продукт связывается с регуляторным (аллостерическим) центром фермента. В результате происходит изменение структуры белка. Оно передается активному центру, влияя, таким образом, на каталитическую активность фермента.

3) генная регуляция:происходит изменение количества ферментов, при этом регулирующие факторы влияют на биосинтез или распад ферментов. В клетках микроорганизмов многие ферменты синтезируются непрерывно вне зависимости от субстрата –конститутивные ферменты(участвуют в обменных процессах). Другие ферменты образуются только в присутствии определенных веществ –индукторов.Примером индуцебельных ферментов являются гидролазы, амилазы, целлюлазы. Образование ферментов, участвующих в биосинтезе, регулируется посредствомрепрессии. Индуктор взаимодействует в клетке с репрессором, инактивирует его, в результате включается генетический аппарат клетки и начинается синтез фермента. Процесс подавления синтеза фермента называется репрессией. В зависимости от природы репрессора выделяют два типа репрессии:

-репрессия конечным продуктом биосинтеза: ферменты определенного биосинтетического пути не синтезируются, если его конечный продукт присутствует в среде;

-катаболитная репрессия: если в питательной среде присутствуют два вещества, микроорганизм в большинстве случаев использует то, которое обеспечивает более быстрый рост, при этом образование ферментов, расщепляющих второе вещество, репрессируется.

Репрессия и индукция являются специфическими механизмами регуляции синтеза ферментов. Они имеют молекулярную основу и связаны с генетическим аппаратом клетки. Регуляция осуществляется на ДНК, на уровне транскрипции и образования мРНК.

Синтез всех ферментов кодируется набором рядом расположенных функционально взаимосвязанных генов – опероном.Все гены оперона индуцируются или репрессируются одновременно одним и тем же субстратом. Согласно модели французских ученых Жакоба и Моно, предложенной для объяснения механизма регуляции синтеза ферментов, в состав оперона входят два типа генов:структурные (управляют синтезом определенных ферментов) ирегуляторные (управляют работой первых). Также имеетсяген-оператор, который запускает работу структурных генов. Ген-оператор через ген-регулятор связан сбелком-репрессором. Репрессор имеет два активных центра: один обладает сродством к гену-оператору и в свободном состоянии прочно связывается с ним, другой – к индуктору. Когда нет индуктора, оператор закрыт репрессором и фермент не образуется.

Перечисленные выше механизмы регуляции метаболизма в клетке действуют взаимосвязано и дополняют друг друга. Регуляторные механизмы обеспечивают координацию метаболических процессов, предотвращают избыточное образование ферментов, а также промежуточных и конечных продуктов, позволяют клетке экономно и целенаправленно использовать питательные вещества.