Основы биохимии - Филиппович Ю. Б. 1999

Взаимосвязь и регуляция обмена веществ
Регуляция обмена веществ

Приведенные выше данные о взаимосвязи и взаимозависимости обмена белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов убеждают в том, что обмен веществ представляет собой стройный ансамбль многочисленных и тесно увязанных друг с другом химических процессов. Ведущая роль в этом бесчис­ленном множестве взаимодействий принадлежит белковым телам. Благодаря их каталитической функции осуществляется все это великое множество хими­ческих процессов распада и синтеза. С помощью нуклеиновых кислот поддер­живается строгая специфичность при биосинтезе макромолекул, т. е. в конеч­ном счете видовая специфичность в строении важнейших биополимеров. Бла­годаря обмену углеводов и липидов в организме постоянно возобновляются запасы АТФ — универсального донора энергии для химических преобразова­ний. Эти же вещества поставляют простейшие органические молекулы, из которых строятся биополимеры и другие соединения. В результате совершает­ся непрерывный процесе самообновления живой материи, обслуживаемый теми биохимическими механизмами, изучение которых составляет предмет общей биохимии.

Слаженность биохимических превращений, их теснейшая связь и взаимо­обусловленность, возможность быстрой мобилизации одних соединений для синтеза других, возможность взаимопереходов от одного класса органических соединений к другому, всеобщая соподчиненность биохимических механизмов как никогда ярко выступают, когда мы оцениваем обмен веществ в целом. Общий ход биохимических процессов в организме, регулируемый внутрен­ними и внешними факторами, представляет единое неразрывное целое, и сам организм в этом смысле выглядит как самонастраивающаяся, саморегулиру­ющаяся система, поддерживающая свое собственное существование путем обмена веществ.

Тем не менее, исходя из методических соображений, регуляцию жизненных процессов принято рассматривать на метаболитном, оперонном, клеточном, организменном и популяционном уровнях. Каждый из них характеризуется своими закономерностями регуляции обмена вещества, действующими в сня­том виде на каждом последующем уровне организации живой материи. Харак­терно, что чем выше уровень регуляции обмена веществ, тем яснее выступает иерархическая, блочная система управления, суть которой сводится к слежению за поступлением сигнала и ответом на него.

Метаболитный уровень регуляции. Слаженность обмена веществ в организ­ме, в значительной мере, определяется концентрацией разнообразных метаболи­тов — низкомолекулярных соединений, представляющих собой продукты тех или иных химических превращений в биологических объектах или поступа­ющих в них в процессе питания.

Формы регуляции обмена веществ при участии метаболитов крайне многообразны. Простейшая из них сводится к ускорению или замедлению биохимических процессов за счет недостатка или избытка тех соединений, которые являются участниками соответствующих реакций. Так, объем бел­кового синтеза у гетеротрофов лимитируется поступлением незаменимых аминокислот и интенсивностью синтеза полузаменимых аминокислот. На этом, в частности, базируется микробиологический метод количественного определения содержания аминокислот в белковых гидролизатах и иных средах.

Более сложный характер носит регуляция обмена веществ за счет кон­курентных взаимоотношений тех обменных процессов, которые замыкаются на общие метаболиты, относящиеся, как правило, к категории ключевых: пиро­виноградную, щевелевоуксусную и а-кетоглутаровую кислоты, ацетил-КоА, глюкозо-6-фосфат. Многочисленные примеры такого рода приведены в раз­деле о взаимосвязи обмена веществ в начале этой главы.

Несомненно, велика роль в регуляции обменных процессов ряда низкомо­лекулярных соединений, относящихся к разряду биологически активных, — витаминов, антивитаминов, коферментов, гормонов, антигормонов, вторичных посредников и др.

Метаболиты, взаимодействуя с ферментами, способны активировать или ингибировать их активность; примером первого рода является неоднократно упоминавшееся активирование протеинкиназ при действии на них цАМФ; не меньшую роль в регуляции обмена веществ играет другой вторичный посред­ник — цГМФ, активирующий фосфолипазу А₂ и С, а также участвующий в биосинтезе простагландинов из арахидоновой кислоты. Источником новой группы вторичных посредников, как показано недавно, являются фосфоинозитиды (см. с. 384):

Гормональный сигнал воспринимается рецептором, передающим его G-белку, который активирует фосфолипазу С. И диацилглицерин, и инозит-1,4,5-трифосфат являются вторичными посредниками, передающими гормо­нальный сигнал далее: первый — протеинкиназе С (М = 67—83 кДа, активи­руется Са²⁺, переносит фосфат с АТФ на радикалы серина и треонина, насчитывает не менее 7 форм — а, ßI, ßII, у, δ, ε, ζ, фосфорилирующей около 20 ферментов и ряд белков (белки цитоскелета, белки-рецепторы и др.), а второй — в эндоплазматический ретикулум, из которого высвобождается Са²⁺, возбуждающий активность Са²⁺/кальмодулин-зависимой протеинки­назы, тоже обеспечивающей фосфорилирование функционально значимых белков (рис. 139). К числу вторичных посредников относится также оксид азота (NO)—мощный фактор гомеостаза. Он образуется в различных клет­ках и тканях, в том числе и в тромбоцитах человека из L-аргинина за счет окисления азота аминогруппы гуанидиновой группировки последнего под действием L-аргинин-NО-синтазы. Она существует в трех формах, две из которых являются конституивными, а одна—индуцибельной, причем в ин­дукцию экспрессии гена последней вовлекаются липополисахариды и ядер­ный белковый фактор. Возникший так оксид азота активирует гуанилатциклазу, что приводит к повышению концентрации цГМФ, функции которого в регуляции обмена веществ отмечены выше (см. предыдущую стр.). Кроме того, непосредственно сам оксид азота является нейротрансмиттером и ци­тотоксическим агентом.

Примером второго рода является ретроингибирование (ингибирование по принципу обратной связи) активности фермента, стоящего в начале многосту­пенчатого превращения субстрата конечным продуктом реакции, что детально разработано при изучении регуляции биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов (см. с. 239):

Рис. 139. Фосфоинозитидный путь регуляции обмена веществ (пояснения в тексте)

Явления такого же порядка происходят во многих других случаях ал­лостерического изменения активности ферментов. Вместе с тем метаболиты могут быть и изостерическими (конкурентными) ингибиторами ферментов (см. с. 112). Высказано предположение, что метаболоны (см. с. 355) регули­руются сигналами, передаваемыми через вторичные посредники; так, напри­мер, считают, что гликолитический метаболой регулируется потоком ионов Са, поступающих в микрокомпартменты клетки, где он локализован. Нако­нец, метаболиты являются индукторами и корепрессорами в системах, дей­ствующих на оперонном уровне регуляции обмена веществ.

Оперонный уровень регуляции. Оперонам называется упорядоченная ком­пактная совокупность цистронов (вместе со знаками начала и конца), считыва­емая как единое целое в процессе синтеза мРНК на ДНК. В случае моноцистронного оперона на нем синтезируется мРНК, предназначенная для биосинтеза в рибосомальном аппарате клетки одного единственного белка, в случае полицистронного (до полутора десятков цистронов) — ряд мРНК, на которых рибосомальным путем создается семейство различных белков (чаще всего ферментов), необходимых для осуществления многостадийного биохимиче­ского процесса в клетке. Первичное представление о моноцистронном опероне, равно как и о знаках начала и конца его считывания, дает рис. 87 на с. 259.

Сейчас ясно, что на уровне оперона регулируется главным образом объем биосинтеза ферментов за счет изменения количества молекул мРНК, возника­ющих в процессе транскрипции. Это оказывает решающее влияние на ход обменных процессов, мощными двигателями которых являются ферменты. Вместе с тем нельзя упускать из виду и то обстоятельство, что на уровне оперона регулируется синтез мРНК для новообразования гистонов, негисто­новых и рибосомальных белков, а также ряда других протеинов, не облада­ющих каталитической активностью, но являющихся регуляторами метаболической активности генома, деятельности трансляционного аппарата клетки и других фундаментальных процессов обмена веществ.

Рис. 140. Модель оперона

Если рассмотреть несколько детальнее регуляцию на оперонном уровне объема биосинтеза ферментов в клетке, то вырисовываются два пути: индук­ция и репрессия. Сущность и того и другого ясна из рассмотрения рис. 140. Биосинтез фермента может быть индуцирован низкомолекулярным метаболи­том — индуктором, который, соединяясь с репрессорным белком (он запрещает транскрипцию), освобождает зону оператора (знак начала оперона), что со­провождается присоединением РНК-полимеразы и началом синтеза про-мРНК, а затем, после ее посттранскрипционной модификации, — фермента.

Ферменты, биосинтез которых регулируется этим путем, называются индуцибельными. К ним относятся ß-галактозидаза, рибулокиназа, тирозиназа, аспарагиназа и многие другие. Добавление индуктора (как правило, субстрата индуцибельного фермента) резко повышает объем синтеза фермента. Напри­мер, при добавлении ß-галактозида (лактоза) в культуральную среду кишеч­ной палочки у последней синтез ß-галактозидазы возрастает в 10000 раз. В отличие от этого ферменты, биосинтез которых стопорится под влиянием низкомолекулярного метаболита — корепрессора (рис. 140) (переводит репрес­сорный белок, не способный в норме оккупировать зону оператора, в активное состояние), называются репрессибельными. К их числу принадлежат орнитин-карбамилтрансфераза (ее корепрессор — аргинин), глутаминсинтетаза, уреаза (их корепрессор — NH₄) и ряд других.

В последнее время показано, что индукция и репрессия могут быть генера­лизованными, т. е. контролироваться не каким-либо одним конкретным индук­тором или корепрессором, а целой группой сходных с тем и другим соедине­ний. Накапливаются также сведения о том, что один-единственный эффектор (например, ppGpp — 3'-пирофосфо-гуанозин-5'-дифосфат) может индуцировать биосинтез целого семейства ферментов (например, ферментов биосинтеза гистидина и ряда других аминокислот). Поэтому проблема индукции и репрес­сии биосинтеза ферментов достаточно сложна, особенно в отношении индук­ции синтеза ферментов, не свойственных данному организму (например, фер­менты детоксикации инсектицидов у насекомых).

Конечно, только индукцией и репрессией синтеза ферментов не исчерпыва­ется регуляция обмена веществ на уровне генетического аппарата клетки. Как репликация самой ДНК, так и синтез на ней в качестве матрицы разнообраз­ных РНК, в том числе и мРНК, что, в значительной мере, предопределяет ход обмена веществ в клетке, зависит от множества других событий. Среди них — метилирование ДНК; фосфорилирование и ацетилирование гистонов и негистоновых белков, входящих в состав хроматина; взаимодействие с хро­матином гормон-рецепторных комплексов; аденилирование белков, участву­ющих в деятельности репликационного аппарата и др. Все они связаны с изменением метаболической активности генома, регуляцией его функций в целом.

Клеточный уровень регуляции. К регуляторным процессам на уровне клетки относятся: ядерно-цитоплазменные отношения; посттранскрипционная и пост­трансляционная модификация макромолекул; транспорт веществ через мемб­раны субклеточных частиц и мембраны эндоплазматической сети; макромоле­кулярные (белок-белковые, белково-нуклеиновые, углеводно-белковые и липид­белковые) взаимодействия и др. Все они носят фундаментальный характер в регуляции обмена веществ.

Ядерно-цитоплазменные отношения сводятся к взаимозависимому контро­лю синтеза важнейших функционально активных биополимеров. Так, малые белковые субъединицы рибулозо-1,5-дифосфат-кар6оксилазы, при посредстве которой осуществляется важнейший процесс акцептирования СO₂ в раститель­ной клетке (см. с. 360), синтезируются в цитоплазме, а большие субъеди­ницы — в хлоропластах. Биосинтез первых контролируется, следовательно, ядерным аппаратом клетки, вторых — хлоропластным геномом, локализован­ным в цитоплазме. В целом, из 800—1000 белков, необходимых для функцио­нирования хлоропластов, лишь около 15% кодируется геномом этих клеточ­ных органелл. Кроме рибулозо-1,5-дифосфат-карбоксилазы, при участии двух генетических систем растительной клетки (ядерной и хлоропластной) форми­руются тилакоидные мембраны, АТФазный и РНК-полимеразный комплексы хлоропластов. Аналогичный ядерно-цитоплазматический контроль характе­рен также для синтеза белковых субъединиц таких важнейших каталитически активных систем, как протонная АТФаза и цитохромоксидаза, белков внутрен­ней и внешней мембран митохондрий, белков хлоропластных и митохондри­альных рибосом и т. п. Таким образом, только при согласованной деятель­ности генома ядра и геномов митохондрий, хлоропластов и других субклеточ­ных структур, при согласованной работе белоксинтезирующих систем перечисленных субклеточных частиц возникают сложные белково-ферментные комплексы клетки, обеспечивающие фундаментальные направления обмена веществ.

Посттранскрипционная и посттрансляционная модификация макромолекул — второй важнейший регуляторный процесс на клеточном уровне. Возникающие при транскрипции предшественники рибонуклеиновых кислот после ряда пре­образований (метилирование, отщепление и присоединение олигонуклеотид­ных фрагментов и т. п.) превращаются в функционально активные РНК. Эти процессы детально изучены при созревании мРНК, рРНК, тРНК (см. гл. VI). В целом они предопределяют интенсивность белкового синтеза в клетке. Однако и белки, образующиеся при рибосомальном синтезе, тоже подвергают­ся посттрансляционной модификации (метилирование, отщепление пептидных фрагментов, присоединение углеводной составляющей при биосинтезе глико­протеинов и т. п.). В результате из полипептидов-предшественников получают­ся активные ферменты, гормоны, биологически активные пептиды и др. Есте­ственно, что от уровня посттрансляционной модификации прямо или опос­редованно зависят многие обменные процессы в клетке.

В последние годы особое значение придают ковалентной модификации ферментов, так как по этому принципу регулируется активность не менее 100 из них. Кроме фосфорилирования по радикалам серина, треонина и тирозина соответствующими протеинкиназами (см. гл. IX, XII) большая роль принадлежит аденилированию и уридилированию, а также АДФ-рибозилированию ферментов.

Аденилирование и уридилирование, например, детально изучено Е. Стедма­ном у глутаминсинтетазы:

Активна в биосинтезе глутамина деаденилированная глутаминсинтетаза; по мере присоединения к каждой из ее 12 субъединиц остатков адениловой кислоты (при этом возможно существование 382 форм фермента) активность ее падает. Аденилирование идет по радикалу тирозина:

В свою очередь, аденилилтрансфераза активна лишь в том случае, когда она связана с регуляторным белком, не уридилированным по остатку тирозина; если же регуляторный белок уридилирован (реакция идет ана­логично аденилированию, но с УТФ в качестве донора уридилатного остатка), то аденилилтрансфераза ускоряет реакцию деаденилирования глутаминсинтетазы и переводит ее снова в более активное состояние.

В случае АДФ-рибозилирования на гуанидиновый фрагмент радикала ар­гинина фермента (или H₂N-гpyппy лизина или аспарагина) переносится оста­ток АДФ-рибозы из состава НАД⁺; при этом высвобождается молекула никотинамида. Эту реакцию ускоряет НАД⁺-аза, обладающая АДФ-рибозилтрансферазной активностью:

К посттрансляционной модификации белков тесно примыкает протеолити­ческая деградация белков, особенно ферментов. Благодаря ей в клетке непре­рывно идет противоборство двух процессов — распада ферментов и их син­теза, определяющее в конечном итоге количество того или иного фермента и ход ускоряемой им реакции.

Посттрансляционная модификация является источником возникновения множественных форм ферментов в клетке, как, например, в случае глутамин­синтетазы. Наряду с генетически детерминированными изоферментами они обеспечивают тончайшие нюансы в регуляции обменных процессов, так как каждый из них подобен отдельному инструменту в оркестре, звучание которо­го составляет симфонию жизни. В последнее время также активно разрабаты­вают проблему контроля транскрипции ядерного и митохондриального гено­ма продуктами цитоплазмы у животных и растений.

Перенос веществ через мембраны ядра, митохондрий, лизосом, эндоплаз­матической сети и других субклеточных элементов, равно как и через клеточ­ную оболочку, — один из существенных механизмов регуляции обмена веществ и многих физиологических функций организма на клеточном уровне. В пере­носе ионов ведущая роль принадлежит циклическим пептидам и депсипептидам, низкомолекулярных веществ — специальным ферментам (транслоказам) (см. рис. 43), высокомолекулярных соединений, в частности белков, — сиг­нальным пептидам и их взаимодействию с белково-липидной частью мембран. Недавно обнаружена и изучена особая категория белков, названных поринами: они образуют в мембранах поры и активно переносят по ним различные соединения (см. рис. 101 и 102).

Рис. 141. Белково-нуклеиновые вза­имодействия при созревании и перено­се мРНК

Изучению процесса транспорта веществ уделяется все большее внимание в мембра­нологии. В конечном итоге поступление ме­таболитов внутрь субклеточных частиц и компартментов клетки, равно как и вынос их оттуда самым непосредственным обра­зом, сказывается на скорости биохимиче­ских превращений. Конечно, проблема пространственного разобщения обменных реак­ций в клетке не сводится только к созданию градиентов концентрации метаболитов. Сейчас привлечено внимание к существова­нию связанных с субклеточными частицами ферментов, причем в этом случае их актив­ность значительно возрастает («адсорбцион­ный механизм» регуляции ферментов, сопровождаемый эстафетной передачей про­межуточных продуктов каталитического процесса).

Роль макромолекулярных взаимодейст­вий в регуляции обмена веществ на клеточ­ном уровне особенно отчетливо выявилась при изучении белково-нуклеиновых взаимодействий. Оказалось, что про-мРНК, синтезируемые в ядре, сначала соединяются с ядерными белками (информагинами), причем уже здесь идет отбор про-мРНК: лишь часть из них превращается в рибонуклеопротеины (308-частицы и их ансамбли), а осталь­ные, несущественные в данный момент для метаболических потребностей клетки, разрушаются. В составе 308-частиц про-мРНК созревают и транслоцируются через ядерную оболочку, теряя при этом белковую часть. Однако в момент выхода в цитоплазму мРНК снова соединяются с обладающими высоким сродством к ним цитоплазматическими белками, образуя информосомы. В составе последних мРНК сохраняются в латентном состоянии вплоть до поступления в рибосомы. Вполне понятно, что рассмотренный каскадный механизм переноса информации из ядра и цитоплазму самым существенным образом сказывается на ходе обмена веществ (рис. 141). Ис­следования в этой области, проведенные у нас под руководством академиков Г. П. Георгиева и А. С. Спирина, удостоены Государственной премии СССР. Разнообразные и важные для регуляции обменных процессов белково-нукле­иновые взаимодействия идут на уровне генетического и рибосомного аппарата клетки.

В течение последнего десятилетия получены принципиально новые данные о контроле обмена веществ на уровне белково-нуклеиновых взаимодействий. Обнаружено, что основная роль универсальной и наиболее изученной протеин­киназы эукариотических клеток, а именно — казеинкиназы типа II, состоит в регуляции степени маскирования — демаскирования-мРНК взаимодейству­ющими с ней белками. При этом молекулам как самой мРНК, так и особому классу иных РНК отводится роль регулятора активности протеинкиназы: чем сильнее фосфорилированы РНК-связывающие белки, тем ниже их сродство к мРНК и тем выше ее способность включаться в трансляционные процессы.

Не менее впечатляющие результаты получены при изучении липид-белковых взаимодействий. Для регуляции обмена веществ особенно важны те из них, что развертываются в составе белково-липидных мембран клетки. Именно они предопределяют уровень активности мембранно-связанных ферментов, степень проницаемости мембран для метаболитов, возможность трансмемб­ранного переноса макромолекул и осуществления ряда других процессов, зависящих от физико-химических параметров мембранного аппарата.

Изучение углеводно-белковых взаимодействий открыло новую страницу в развитии представлений о специфических контактах на уровне макромоле­кул, субклеточных частиц и клеток. Они основаны на существовании белков (лектинов), избирательно узнающих углеводные компоненты, что инициирует процессы, имеющие важнейшее значение для регуляции метаболиза.

Что касается белок-белковых взаимодействий, то их значение для регуляции обмена веществ на клеточном уровне наиболее существенно. Они сводятся к становлению ферментов-мультимеров, образованию мультиэнзимных ком­плексов, формированию ансамблей ферментов и метаболонов, возникновению гормон-рецепторных комплексов в случае гормонов пептидной и белковой природы. Соответствующие конкретные примеры рассмотрены ранее.

До недавнего времени практически не было данных по биологически значимому углевод — углеводному взаимодействию. Сейчас ситуация диамет­рально противоположна. Открыты закономерности межклеточной адгезии, опосредуемой или инициируемой углевод-углеводным узнаванием, причем последнее является быстрым первичным процессом, предваряющим белок­белковую адгезию. Установлены особенности контактов мембранного аппара­та, где высока плотность встроенных гликолипидов, получены поразительные данные о функциональной роли и регуляционных потенциях последних.

Организменный уровень регуляции. Главный механизм регуляции обмена веществ на уровне организма — гормональный (см. гл. XII). Осуществляясь гуморальным путем у животных и через системы проводящих путей у расте­ний, он, в свою очередь, направляется сигналами нервной системы у первых и внешней среды — у вторых. Таким образом, здесь осуществляется естествен­ный и логический переход из области биохимии в сферу физиологии.

Популяционный уровень регуляции. Так же, как и предыдущий, этот уровень регуляции лежит на грани биохимии и физиологии, постепенно перерастая в новую науку — химическую экологию. Поэтому сейчас логичнее говорить об уровне регуляции метаболизма в экосистемах, имея в виду глобальные аспек­ты химических взаимодействий в живой природе. Суть его сводится к мощ­ному влиянию химических соединений, вырабатываемых и выделяемых одни­ми особями, на обмен веществ и поведенческие реакции других особей. Оно реализуется через рецепторные системы или ткани-мишени организма реципи­ента. Выше (см. гл. IV) приведены соответствующие примеры, касающиеся антибиотиков и телергонов. Однако перечень веществ, участвующих в хими­ческих внутри- и межвидовых взаимодействиях особей, гораздо более широк и непрерывно возрастает. Среди них: фитонциды — антибактериальные веще­ства, вырабатываемые здоровыми растениями (важную роль в их исследова­нии сыграли работы Б. П. Токина и его учеников); фитоалексины — защитные соединения, образующиеся в растениях в ответ на бактериальное или грибко­вое заражение; новые виды антибиотиков, фитогормонов, нейрогормонов и т. п. Их всестороннее изучение, глубокое раскрытие сути и механизмов существующих в природе биохимических связей крайне существенно для раз­работки экологической стратегии, столь необходимой человечеству в наше время.