Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Метаболизм. Процессы, требующие притока энергии
Интеграция метаболизма
Регуляция метаболизма

Химические реакции, протекающие в клетках, катализируются фермен­тами. Неудивительно поэтому, что большинство способов регуляции обмена веществ основано на двух ведущих процессах: изменении концентрации фер­ментов и их активности. Эти способы регуляции метаболизма характерны для всех клеток и осуществляются с помощью разнообразных механизмов в ответ на сигналы разного рода. Кроме этого, клетки владеют дополнительными способами регуляции метаболизма, многообразие которых удобно рассмот­реть в соответствии с несколькими уровнями организации.

Регуляция на уровне транскрипции. Этот тип регуляции рассмотрен в главе 3 на нескольких примерах положительного и отрицательного контроля транскрипции прокариотических генов. Данный механизм характерен, в пер­вую очередь, для регуляции количества мРНК, определяющих структуру ферментов, а кроме этого — белков-гистонов, рибосомальных, транспортных белков. Группа последних, не обладая каталитической активностью, также принимает большое участие в изменении скорости соответствующих процес­сов (формирование хромосом и рибосом, транспорт веществ через мембра­ны), а значит, и метаболизма в целом.

В регуляции транскрипции генов участвуют регуляторные белки, структу­ра которых определяется специфическими генами (регуляторами), их ком­плексы с лигандами (например, лактозой при индукции транскрипции или триптофаном при репрессии), комплексы сАМР-САР, гуанозинтетрафосфат, а в некоторых случаях таким действием обладают белки — продукты экспрес­сии собственных генов. Особое значение в данных процессах имеют такие важные сигнальные молекулы, как сАМР и гуанозинтетрафосфат. Можно сказать, что сАМР сигнализирует клетке об энергетическом голоде — отсутствии глюкозы. В ответ на это увеличивается частота транскрипции структурных генов, отвечающих за катаболизм других источников углерода и энергии (активация катаболитных оперонов, катаболитная репрессия, гла­ва 3). Гуанозинтетрафосфат (гуанозин-5'-дифосфат-3'-дифосфат) является сигналом аминокислотного голодания. Этот нуклеотид связывается с РНК-полимеразой и изменяет ее сродство к промоторам различных генов. В ре­зультате экспрессия генов, ответственных за биосинтез углеводов, липидов, нуклеотидов и др. уменьшается, а экспрессия других генов, в частности де­терминирующих процессы протеолиза белков, наоборот, повышается.

Процесс транскрипции чаще регулируется с помощью изменения частоты событий инициации транскрипции, но, кроме этого, могут регулироваться скорость элонгации транскрипции и частота ее преждевременной термина­ции. На события элонгации и терминации первостепенное влияние оказывает конформационное состояние ДНК или самой мРНК (наличие «стоп­сигналов», шпилечных структур).

Аллостерическая регуляция активности ферментов. Этот тип регу­ляции является одним из самых быстрых и гибких, он осуществляется с по­мощью молекул-эффекторов, взаимодействующих с аллостерическим цен­тром фермента (глава 6). Аллостерической регуляции, как и оперонной, под­вержены ключевые ферменты тех или иных метаболических путей. Таким образом, скорость всего биосинтетического или катаболического процесса зависит от одной, реже нескольких реакций, катализируемых ключевыми ферментами.

Особое значение регуляция имеет для процессов биосинтеза протеиноген­ных аминокислот. Поскольку их 20, и каждая в суммарном клеточном белке у разных организмов представлена в определенном отношении, требуется очень четкая регуляция, координирующая процессы синтеза отдельных ами­нокислот. Такой контроль исключает перепроизводство аминокислот, и выде­ление их из клетки возможно лишь у микроорганизмов с нарушенной регуля­цией.

Пример регуляции биосинтеза аминокислот семейства аспартата у энте­робактерий представлен на рис. 19.3. Четыре аминокислоты имеют общий предшественник — аспарагиновую кислоту. Ее превращение в аспартилфосфат у бактерий E. coli катализируют три изоферментные формы аспартокиназы, каждая из которых испытывает репрессию и/или ингибирование со сторо­ны разных конечных продуктов данного разветвленного метаболического пути. Аналогичным способом регулируется синтез гомосериндегидрогеназы.

Обращает на себя внимание существование механизма обратной связи, который заключается в том, что конечные продукты метаболических процес­сов регулируют уровень синтеза и/или активность ферментов, катализирую­щих первые этапы образования этих метаболитов.

Аллостерическими эффекторами могут выступать самые различные веще­ства: субстраты и конечные продукты метаболических путей, иногда — промежуточные метаболиты; в катаболических процессах — нуклеозиддифосфаты и нуклеозидтрифосфаты, а также переносчики восстанови­тельных эквивалентов; в каскадных реакциях — сАМР и сGMP, которые ре­гулируют активность ферментов (например, протеинкиназ), участвующих в ковалентной модификации белков; ионы металлов и множество иных соеди­нений. Примеры аллостерической регуляции ферментов приведены в главе 6 и др. разделах.

Рис. 19.3. Схема регуляции синтеза и активности ферментов, участвующих в пути биосинтеза аминокислот семейства аспартата у бактерий E.coli. Гены, кодирующие аспартокиназу 1, гомосеринкиназу и треонинсинтетазу, со­ставляют треониновый оперон, поливалентно репресси­руемый треонином и изолейцином

Ковалентная модификация ферментов. Этот тип регуляции активности ферментов иначе называют взаимопревращениями ферментов, поскольку суть данного процесса состоит в превращении активных форм ферментов в неактивные и наоборот. Особенности и примеры ковалентной модификации описаны в главе 6. Эти процессы находятся под разнообразным контролем, в том числе и гормональным. Классическим примером взаимопревращений ферментов является регуляция метаболизма гликогена в печени.

Скорость синтеза этого резервного полисахарида находится под контро­лем гликоген-синтазы, а расщепление катализируется гликоген-фосфорилазой. Оба фермента могут пребывать в активной и неактивной формах. При голодании или в стрессовых ситуациях в кровь выделяются гормоны — адреналин и глюкагон, которые связываются с рецепторами на плазматических мембранах клеток и активируют при посредничестве G-белков фермент аденилатциклазу (катализирует синтез сАМР). сАМР связы­вается с протеинкиназой А и активирует ее, что приводит к фосфорилирова­нию гликоген-синтазы и переводу ее в неактивную форму. Гликоген переста­ет синтезироваться. Кроме этого, протеинкиназа А в ходе каскадных реакций вызывает фосфорилирование гликоген-фосфорилазы, которая в результате активируется и начинает расщеплять гликоген. На процессы синтеза и распа­да гликогена действует также другой гормон — инсулин. В этом примере сиг­нальными молекулами служат гормоны, а посредниками — G-белок и сАМР. Взаимопревращения ферментов осуществляются в ходе фосфорилирования — дефосфорилирования.

Гормональная регуляция. Этот тип регуляции метаболизма предусмат­ривает участие гормонов — сигнальных веществ, образующихся в клетках эндокринных желез, поэтому гормональная регуляция свойственна только высшим организмам. Выше описано действие гормонов на процесс обмена гликогена, в котором регулируется активность ферментов на уровне кова­лентной модификации. Кроме этого, гормоны способны оказывать воздействие на скорость транскрипции (оперонная регуляция).

Из специализированных клеток, где происходит синтез гормонов, послед­ние поступают в кровь и переносятся к клеткам-мишеням, имеющим рецеп­торы, способным связывать гормоны и тем самым воспринимать гормональ­ный сигнал. Связывание гормона рецептором запускает каскад реакций с уча­стием молекул-посредников, которые завершаются клеточным ответом. Ли­пофильные гормоны связываются с внутриклеточным рецептором (белок) и регулируют транскрипцию определенных генов. Гидрофильные гормоны действуют на клетки-мишени за счет связывания с рецепторами на плазматиче­ской мембране.

Кроме гормонов, аналогичным действием обладают другие сигнальные вещества: медиаторы, нейромедиаторы, ростовые факторы. Четкой границы, позволяющей отличать гормоны от перечисленных веществ, нет. Медиатора­ми называют сигнальные вещества, которые продуцируются не железами внутренней секреции, а различными типами клеток. К медиаторам относят гистамин, простагландины, которые обладают гормоноподобным действием.

Нейромедиаторами считают сигнальные вещества, продуцируемые клет­ками центральной нервной системы.

Изменение концентрации метаболитов. Важным условием, обеспечи­вающим высокую скорость того или иного метаболического пути, является концентрация субстратов. Она может зависеть от интенсивности протекания других процессов, в которых также расходуются эти субстраты (конкурен­ция), или от скорости транспорта данных веществ через мембраны (плазма­тическую или органелл). В частности, у эукариотических клеток появляется возможность регулировать метаболизм, перераспределяя метаболиты по от­дельным компартментам.

Кроме этого, скорость метаболических процессов определяется концен­трацией кофакторов. Например, гликолиз и ЦТК регулируются доступностью ADP (глава 10, 11) на уровне изменения активности ключевых аллостериче­ских ферментов.

Посттранскрипционная и посттрансляционная модификация мак­ромолекул. Эти процессы также описаны в соответствующих разделах (гла­ва 3). Модификация и/или процессинг первичных РНК-транскриптов осуще­ствляются с разной скоростью, от чего зависит концентрация зрелых молекул РНК, способных транслироваться, а значит, и интенсивность белкового син­теза. В свою очередь, пептиды, прежде чем превратиться в зрелый белок, также должны модифицироваться, и если это касается ферментов, то речь идет об их ковалентной модификации.